氧化沟曝气推流设备布置方式优化的数值模拟研究

摘要

氧化沟内水流为完全紊流状态。为了选择正确的湍流模型模拟氧化沟内的流场，探索适合于沟内溶解氧输运的模型，本文对沟型较为复杂的卡鲁塞尔氧化沟进行结构优化以提高沟底流速，降低能耗。此外，本课题还以探宄其水力混合均匀条件，力求达到反应器最优混合处理效果，预测沟内各区域溶解氧的浓度为研究目的。运用计算流体力学的方法模拟六廊道试验氧化沟的复杂水力特性。采用多参考系模型模拟水下推流转轮和曝气转盘的转动，以RNG k-ε模型模拟氧化沟内湍流运动，自由水面的追踪则采用VOF方法处理。氧化沟内溶解氧浓度的模拟结合气一液两相流混合模型及组分输运模型。
　　本文通过对比得出在曝气转盘下游加装小导流板可改善沟内垂线上的流速分布。此外，本课题统计得到了10种工况下氧化沟内流速大于0.03m/s的区域百分比(P)。通过溶解氧输运模拟得到了溶解氧是如何在氧化沟中传播的示意过程。本课题通过对卡鲁塞尔氧化沟的模拟研究，得到了以下结论：
　　(1)模型验证结果说明该模型能正确反映出流场的变化情况。氧化沟直道内垂向流速分布规律类似于典型明渠中的对数分布，水流流经弯道时发生了流速重分布。此外，弯道上的垂向与横向流速结果显示了弯道环流的存在；
　　(2)在曝气转盘后增加小导流板能使刚刚经过充氧并受到曝气转盘推动的表而高速水流转向中下部，不仅改善了曝气转盘附近的局部流场，也影响沟内很远距离的流场结构，而大导流板作用效果不明显，有时甚至起到阻流的作用；
　　(3)淹没比h/H=0.59时为混合最佳工况，通过拟台不均匀系数η与淹没深度h的关系，得出将转轮的淹没深度控制在0.06m~0.07m，能达到氧化沟的最优混合推流能力。
　　(4)本文模拟了溶解氧的输运过程，进而定性分析整个氧化沟内溶解氧分布规律：水平方向上在转盘附近溶解氧浓度最大，随后逐渐降低。内沟道出现溶解氧高低交替的变化规律。垂向上溶解氧浓度随着水深的增加而下降，非曝气沟道溶解氧含量从中部向两岸逐渐增大。氧化沟内同一测线位置，水流流速越大，溶解氧浓度越高。

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1 绪论

1.1氧化沟研究背景与目的意义

1.2氧化沟的技术发展

1.3 Carrousel氧化沟的工艺发展

1.4氧化沟工艺特征

1.5氧化沟工艺设备概述

1.6氧化沟国内外研究现状综述

2 氧化沟数值模拟理论

2.1计算流体力学在模拟氧化沟中的发展及应用

2.2 CFD概述

2.3 CFD模拟较模型试验的优缺点

2.4 CFD的求解过程

2.5 CFD基本控制方程

2.6湍流模型概述

2.7多相流模型概述

2.8曝气转盘及推流转轮数学模型

2.9溶解氧输运模拟

3 模型验证

3.1数学模型

3.2实例验证

4 氧化沟导流板改善流场结构的优化分析

4.1试验卡鲁塞尔氧化沟的数值模拟

4.2导流板改善流场结构

4.3导流板影响氧化沟垂向流速

4.4本章小结

5 氧化沟水流混合特性优化分析

5.1流场分布模拟

5.2转轮推流能力分析

5.3混合特性最优工况分析

5.4本章小结

6 溶解氧输运模拟

6.1模型介绍

6.2溶解氧浓度的空间分布

6.3氧化沟流速与溶解氧分布关系

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1研究总结

7.2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