曝气池通气孔布置方式优化选型的数值模拟研究

摘要

人口井喷式的增长加速了市区滞留人口的数量，导致水资源形势越来越严峻。然而因为地球上资源调配的不平衡，过度的资源需求量产生相当大量的社会负担，这是生活水平和质量提高必须面临和解决的首要问题。随着习总书记在十九大对于生态文明树立的论述，不得不面临资源的制约、环境的污染、生态系统自我修复的退化等各种问题。因为污水的治理已经迫在眉睫，本文分析常用的活性污泥处理法。选取污水处理厂中的曝气池反应器为模型，通过比较不同的流场参数和统计不同的截面数值。确定不同通气孔布置方式的影响规律，选取适合的通气孔布置方式。 论文应用计算流体力学软件仿真建立污水厂曝气池工艺的模型，对曝气池独立反应器进行了流场特性分析，主要结论如下： (1)对曝气池通过不同网格划分形式，分别建立气液两相流模型，其中仿真计算时紊流模型应用RNG k-ε模型，多相流模型应用欧拉模型，通气孔采用速度进口。提取了曝气池模型曝气管截面图，并分析流线图矢量图。与实测现象进行对比分析，结果表明选用选取网格划分方式而能较好的模拟池内流场。模型验证二中，对倒伞形曝气池的数值仿真。选取特征截面分析预测曝气池内部流场规律，统计截面平面溶解氧与实验数值比较。验证求解模型能正确的仿真曝气池气液两相流。 (2)通过简化曝气池对不同通气孔布置方式进行模拟研究，分析流线和矢量可得截面混合液流线漩涡增多相连界面的流线回流互相影响导致池内流态不稳定。 (3)分析不同通气孔布置方式的截面不均匀系数和垂向速度可得，改变通气孔朝向对曝气管中间区域或者曝气管两侧垂向速度都有不同程度的加强，但也导致不同断面之间差值较大不利混合。不均匀系数应通气孔向上时曝气池内部各截面速度均匀，有稳固的循环回路。有利于空气活性混掺。 (4)含气率作为直接反应曝气池曝气管曝气效果的内部因素，也是比较不同曝气管布置方式的重点参考标准。统计不同截面的面平均含气率数值，通过绘制含气率分布曲线图。可直观的得出：通气孔向上时含气率值在多个特征截面都较高，因此选定此通气孔布置方式为最优。

目录

声明

1 绪论

1.1 曝气池研究背景与目的意义

1.2 曝气池工艺原理与技术特点

1.3 曝气池的分类

1.4 曝气池国内外研究现状综述

1.4.1活性污泥法工艺

1.4.2曝气系统的优化选型

1.4.3其它运行参数对曝气池的影响

1.5 本文主要研究内容

2曝气池氧转移原理及数值模拟理论

2.1 物质扩散规律

2.1.1双膜理论

2.1.2氧转移的影响因素

2.2 计算流体力学在模拟曝气池中的发展及应用

2.3 CFD模拟与模型试验

2.4 CFD的求解过程

2.5 CFD基本控制方程

2.5.1 质量守恒方程

2.5.2 动量守恒方程

2.6 湍流模型概述

2.6.1 标准k-ε模型

2.6.2 RNG（重整化群）k-ε模型

2.6.3 Realizable（可实现）k-ε模型

2.6.4 Reynolds应力模型

2.7 多相流模型概述

2.7.1 欧拉-拉格朗日方法概述

2.7.2 欧拉--欧拉方法概述

3 模型验证

3.1 数学模型

3.2 模型验证一

3.2.1 计算区域及网格划分

3.2.2 初始条件和边界条件

3.2.3 网格比较

3.3模型验证二

3.3.1模型区域及网格划分

3.3.2初始条件和边界条件

3.3.3结果分析

3.4 本章小结

4 曝气管通气孔布置方式优化分析

4.1 计算区域及网格划分

4.2 边界条件及求解方法

4.3 通气孔分布对曝气池流场分布影响模拟

4.3.1不同通气孔布置方式下流场分布

4.3.2不同通气孔布置方式下气相体积分数分布

4.3.3不同通气孔布置方式下流速云图分析

4.3.4不同通气孔布置方式下湍动参数分析

4.3.5不同通气孔布置方式下含气率分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究总结

5.2不足与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士期间发表的论文

B. 攻读硕士期间参与的项目

C. 攻读硕士学位期间获得的荣誉