氧化沟固—液两相流数值模拟和推流转轮优化研究

摘要

氧化沟污水处理技术作为活性污泥法的一种改进，在我国得到广泛的应用，已成为当前城镇污水处理技术的热点。氧化沟的流场结构影响着气-液-固三相传质、混合液中各类物质浓度的变化及污泥的沉降性能。水下推流转轮又直接影响着氧化沟的流场结构，因此，对氧化沟中转轮的优化及对其流场结构的准确模拟对氧化沟的研究与运行有着重要的意义。本文用数值模拟的方法，以典型的四沟道式Carrousel氧化沟为研究对象，建立了氧化沟流场计算及固-液两相流模拟的数学模型，验证了模型的可靠性，优化了氧化沟中推流转轮的淹没深度及半径，模拟了优化后的体型中的固-液两相流，得到了如下结论:
　　(1)本文研究了氧化沟水下推流转轮在不同的淹没深度时的流场结构，引入了最优淹没比的概念，并得到最优淹没比应为h/H=0.45。分析了在最优淹没比时氧化沟内的流场，结果表明，在推流转轮转速相同时，最优淹没比时的流速大于0.3m/s的区域在整个流体区域中所占的百分比最大，近底流速有明显的增加，并且流速沿水深方向的分布也更加均匀。这种流场结构可有效的阻止污泥的沉降，从而提高氧化沟的处理效率;
　　(2)氧化沟水下推流转轮是整个氧化沟中水流运动的最主要的动力来源，转轮半径的大小对沟道内水流的流速以及流场结构有着重要的影响，本文引入了最优半径比的概念，并得到最优半径比应为r/R1=0.218。研究结果表明:在最优半径比时氧化沟中流速大于0.3m/s的流体区域占整个流体区域的百分比相对较大，并且此时在氧化沟直道中回流区域的长度最小，在弯道处的水流过流能力也相对较大。
　　(3)用数值模拟结合量纲分析的方法得出在转轮的安装高程及转速一定时，直道上回流区域的长度L与转轮的半径r近似成线性增长关系;在转轮的安装高程及转轮的半径一定时，直道上回流区域的长度L与g/ω2（ω为转轮的转速）近似成线性递减关系;
　　(4)直道及大弯道上出现的靠近内墙侧的浓度高于靠近外墙侧的现象，主要是由于弯道的影响:在弯道上形成的弯道横向环流，沿水流方向表现为一种螺旋流动，而这种流场结构会造成内弯道的淤积和外弯道的冲刷，并且从小弯道水流出口端流出的这种螺旋流要在直道段上的一定范围内才能削弱，直到完全消失。因此，在直道段的前半段和后半段的浓度分布方式不同;
　　(5)氧化沟中流场结构稳定后，污泥浓度出现了不均匀分布，主要表现为:靠近池底处的浓度较高，小弯道处转轮附近浓度较高，在直道段靠近弯道水流出口端的一定范围内靠近内墙处的浓度高于靠近外墙处的浓度，而在直道段的其它区域浓度在垂向上的分层比较明显，表现为靠近水面处浓度很小靠近池底处浓度很大中间部分浓度在垂向上比较均匀;

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 氧化沟工艺简介

1．1．1 氧化沟的分类

1．2 氧化沟研究背景及意义

1．3 氧化沟国内外研究现状评述

1．4 主要研究内容及预期成果

1．4．1 本课题主要研究内容

1．4．2 预期研究成果

2 氧化沟数值模拟理论

2．1 数值模拟方法简介

2．1．1 CFD概述

2．1．2 数值模拟求解步骤

2．2 紊流数值模拟方法

2．2．1 直接数值模拟(DNS)

2．2．2 雷诺时均法(RANS)

2．3 基本控制方程

2．3．1 质量守恒方程

2．3．2 动量守恒方程

2．3．3 能量守恒方程

2．4 紊流数学模型

2．4．1 Standard k～ε模型

2．4．2 RNG k～ε模型

2．4．3 Realizable k～ε模型

2．4．4 Reynolds应力模型

2．5 多相流模型

2．5．1 VOF模型概述

2．5．2 Mixture模型概述

2．6 转轮数学模型

2．6．1 多参考系模型

2．6．2 动网格法

2．6．3 动量源项法

2．7 控制方程的离散

2．7．1 离散方法概述

2．7．2 有限体积法

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 初始条件及边界条件

3．2．3 结果分析

3．3 模型验证二

3．3．1 计算区域及网格划分

3．3．2 初始条件及边界条件

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

4 氧化沟水下推流转轮优化分析

4．1 转轮最优淹没深度数值模拟

4．1．1 计算区域及网格划分

4．1．2 初始条件及边界条件

4．1．3 流速沿水深分布分析

4．1．4 速度大小分布的统计分析

4．1．5 最优淹没比分析

4．2 转轮最优半径比数值模拟

4．2．1 计算区域及网格划分

4．2．2 初始条件及边界条件

4．2．3 流场结构分析

4．2．4 速度大小统计分析

4．2．5 最优转轮半径比分析

4．3 本章小结

5 氧化沟直道段回流区长度分析

5．1 回流区长度与转轮半径间的关系

5．1．1 回流区长度与转轮半径关系的量纲分析

5．1．2 系数的确定

5．2 回流区长度与转轮转速间的关系

5．2．1 回流区长度与转轮转速间关系的量纲分析

5．2．2 系数的确定

5．3 本章小结

6 氧化沟中固-液两相流数值模拟

6．1 模型介绍

6．2 计算区域及网格划分

6．3 学模型及边界条件

6．4 计算结果分析

6．4．1 浓度沿垂线分布分析

6．4．2 水平面浓度场分析

6．4．3 横断面浓度场分析

6．4．4 浓度三维分布分析

6．4．5 固相速度分布分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 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