臭氧接触池数值模拟与优化研究

摘要

随着人们健康意识的提高和对饮用水水质的重视，传统饮用水消毒处理工艺已经很难达到新的水质标准要求。臭氧作为高效的氧化剂和杀菌剂，以其良好的处理效果已经成为饮用水深度处理的首选。本文以提高臭氧接触池消毒效率为目的，利用计算流体力学(CFD)商用软件FLUENT作为仿真计算平台，对接触池的内部结构进行优化设计研究。
　　 本文提出了评价臭氧接触池消毒效率的有效水力停留时间(T10)的的概念，T10能更准确地反映臭氧在接触池内的实际停留时间。根据Froude相似准则建立了按原型以1/25比例缩小的臭氧接触池中试模型，并分别采用三种不同的优化方法对接触池进行了示踪模拟得到了累计停留时间分布函数，最后采用组分输运模型方法与金俊伟中试实验结果进行了校核对比，CFD模拟的T10/T值与中试模型的值比较吻合，两者的差值小于9％，进一步佐证了采用组分输运模型来模拟有效水力停留时间的准确性和优越性。
　　 为提高臭氧接触池消毒效率，对接触池原型进行了优化改造，采用组分输运模型方法分别模拟了接触池在六种方案下的水流流场，并得出了示踪剂停留时间分布函数曲线。通过T10/T值和水流流态得出：臭氧接触池中反应室的数目增加可以改善流场流态，提高消毒效率；当接触池第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ反应室之间的长度比为1:2:3时，接触池能够达到更好的消毒效果：通过增设穿孔墙、水平隔板和导流板可以将接触池的消毒效率提高23％～40％，并使池内流场更加均匀。
　　 为进一步验证臭氧接触池结构优化方案的可行性，对三种优化方案进行了自由液面追踪模拟和气液两相流数值模拟，模拟结果证实对接触池内部结构进行改造可以改善接触池中的流速分布和减少原流场中的短流和回流。通过模拟可以得出臭氧在优化方案中的接触池内体积分数分布和质量浓度分布更加均匀，且分散到整个接触池区域。研究结果一致认为并推荐方案六作为原接触池的优化方案和改进方向。