辐流式二沉池中异重流的计算流体力学模型研究

( 13)
式中
Re 为雷诺数,
Re= DH v ,
DH 为水力直径,
m,
DH =
4A x
;
v 为流速,
m/ s;
流有效截面积, m2; x 为湿边周长, m。
为运动粘度, m2/ s; A 为液
出流边界的变量除垂直于出口面的速度和温度外都设为 0, 垂直于出口面的速度设置为固定流量流出, 温
度则设置为与出口面最临近的单元的温度相同。固定墙体边界满足墙体质量通量为零, 其热通量也忽略为零。
第 6期
蒋成义等: 辐流式二沉池中异重流的计算流体力学模型研究
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对流场具有明显的影响, 这一模型有待改善。 本文使用轴对称二维多相流欧拉模型和 Boussinesq 假设建立了计算流体力学模型, 采用 Wells 等的实验结
果作为模型的验证实例[ 5] , 模拟结果同验证实例中的实验结果作了比较分析。研究所模拟的沉淀池的几何形状 和计算网格如图 1 所示。
项目 空气相对湿度 风速 湍流强度 热膨胀系数 絮凝污泥相粒径 悬浮污泥相粒径 重力加速度
数值
0 5( 50% ) 1 3m/ s 0 05( 5% ) 1 3e- 04 210 m 10 m 9 8 m/ s2
图 2 显示了验证实例计算的流场和流动矢量。从流场和流动矢量图可以看出反时针方向强循环流形成并成 为沉淀池中主要的流动。图 2 左图为辐流式沉淀池沉淀的流场轮廓图, 图 2 右图为速度矢量图。图 3 为实测温 度场和计算模拟结果的比较。
出表面散热引起的低温液体密度大, 下沉影响到沉淀池的 泥水分离性能[ 5] 。2000 年, T aebi Harandy 在平流式沉淀池 中观察到温差 0 2 就能导致显著的异重流[ 11] 。
近年, 用计算流体力学方法研究沉淀池水力学发展迅
速[ 16] 。在沉淀池中对异重流的数值模拟也取得了显著进
分数。
大气长波辐射 J an用 Stefan Boltzmann 定律计算: J an = a ( T a + 273) 4
式中 为 Stefan Boltzmann 常数, = 5 67 10- 8W/ ( m2 K4) ; T a 为空气温度; Wunderlich 修改的式子计算[ 23] :
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水科 学进展
第 18 卷
太阳短波辐射 J sn可从气象站直接测量, 也可根据 James 等提出的有效短波辐射计算式估算[ 22] :
J sn = 0 ( 1- Rs ) Ca
( 7)
式中 0 为到达大气层的太阳辐射, W/ m2; 为大气传输项; Rs 为反照率; Ca 为辐射进入沉淀池被水吸收的
展[ 3, 4, 15, 17] 。在温度效应研究方面, Zhou 等提出了模拟较 高温度 入 流对 平 流式 沉 淀池 流 场影 响 的 CFD 模型[ 13] 。
Wells 等考虑到了气液界面传热引起的沉淀池表面温度下
降, 将沉淀池划分为具有不同温度的上下两层, 在活性污 泥线性沉降假设下建立了双层水力学模型[ 5] 。A lonso 采用
项目 入流温度 空气温度 大气压 云层覆盖率 絮凝污泥相密度 悬浮污泥相密度 水相密度( 13 7 ) [22]
表 1 计算数据
Table 1 Parameters in numerical simulation
数值
286 86 K( 13 7 ) 270 96 K( - 2 2 )
958 mb 09 1 113 5 kg/ m3 1 113 5 kg/ m3 999 286 kg/ m3
关 键 词: 二沉池; 异重流; 数值模拟
中图分类号: P 732
文献标识码: A
文章编号: 1001 6791( 2007) 06 0846 07
活性污泥法是污水处理的关键工艺, 广泛ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用于各种工业废水和生活污水的处理。二沉池是活性污泥法的
关键组成之一[ 1~ 5] 。二沉池性能的恶化, 不仅会导致出水悬浮物、污染物增多, 而且会导致活性污泥流失, 轻
非线性温度效应和单相对流扩散模型研究了表面传热对辐 流式沉淀池性能的影响[ 18] , 该模型将活性污泥的传输过 程简化为对流扩散过程, 由于密度较大的活性污泥混合液
图 1 模拟的沉淀池及其计算网格 Fig 1 Clarifier and grid in the simulation
收稿日期: 2006 09 25; 修订日期: 2007 1 15 基金项目: 科技部水污染控制技术与治理工程专项 ( 2004AA601065) 作者简介: 蒋成义( 1980- ) , 男, 四川眉山市, 讲师, 硕士, 主要从事环境水力学研究。E mail: cyjiang@ mail ustc edu cn
则使活性污泥系统失去硝化功能, 重则使活性污泥系统失败[ 6, 7] 。 异重流的形成对二沉池的性能具有明显的影响[ 3, 4, 8~ 11] 。1945 年 Anderson 发现了沉淀池中流动的不均匀性
后, 异重流才引起广大研究者的广泛关注[ 12] 。产生异重流的主要原因是沉淀池中不同区域的密度差异, 早期
而水表面边界则假定为无剪切力的刚盖模型, 并用式( 6) ~ 式( 12) 来计算其热通量。
3 数值方法结果与分析
本文使用 Fluent6 的分离求解器来求解流场和温度场。压力使用标准差分格式, 其他均使用二阶上风格式。 求解时, 首先忽略温度效应求解等温条件下的流场, 然后求解包括能量守恒的所有方程获得温度场。
2 边界条件
辐流式二沉池作了二维简化, 所用的边界条件包括: 入流、出流、水表面和墙体。入流边界的诸多变量 ( 如流速 v 、湍流动能 k、耗散率 、悬浮物浓度 C ) 采用均匀分布的假定, 并理想化为入流面垂直流入。用湍流 强度和水力直径指定湍流, 湍流强度 I 计算式如下:
I
u u avg
=
0 16( ReDH )- 1/ 8
( 1)
式中 q 为 q 相的体积分数; q 为 q 相的密度; q 为 q 相的速度; 到p 相的质量传递; Sq 为源项, 它们在本研究中均为 0。 1 1 2 动量方程:
t( q q q) +
( q q q q) = - q p +
mpq 为 p 相到 q 相的质量传递;
= q + q qg+ R pq
m qp 为 q 相 ( 2)
= q = q q(
q+
T q
)
+
q
q-
2 3
q
=
qI
( 3)
式中 为两相共享的压力; g 为重力加速度; Rpq为相间作用力; q 为 q 相的剪切粘度; q 为 q 相的体积粘
度。式( 2) 必须同相间相互作用力 Rpq的表达式关联起来, 这种力受到摩擦、压力、内聚力等的影响, 并服从
摘要: 异重流的形成是影响活性污泥系统二 沉池水 力学性 能的主要 因素, 形 成异重 流的主 要原因 包括沉淀 池内不 均匀的污泥分布和温度分布。采用多相流欧拉模型、标准 k 湍流 模型和 Boussinesq 假设研 究了二 沉池中活 性污泥 和表面散热引起的异重流。表面散热的计算采用经验方程, 数值计算结果同实验结果作了比较, 结果表 明模型能较 好地预测辐流式二沉池的流场、温度场和污泥分布。研究 还表明, Frp2Gr / Re2 表 示了不均 匀温度分 布引起的 浮升力 与不均匀污泥分布引起的作用力的比值, 用它可以判断两种作用力在异重流的 形成当中的相对大小。
第 18 卷 第 6 期 2007 年 11 月
水科学进展 ADVANCES IN WATER SCIENCE
Vol 18, No 6 Nov. , 2007
辐流式二沉池中异重流的计算流体力学模型研究
蒋成义1, 吴春笃2, 黄卫东1, 勾全增1
( 1 中国科学技术大学地球与空间科学学院七系, 安徽 合肥 230026; 2 江苏大学环境学院, 江苏 镇江 212013)
1 2 表面热通量 水自由表面的热通量是太阳辐射, 大气辐射, 水自身辐射, 传导和对流、蒸发等的总和, 是同大气温度、
相对湿度、风速、太阳辐射率等相联系的。总的热通量 J 可以用下式估算:
J = Jsn + J an - Jwr - Jcc - Jec
( 6)
式中 J sn为太阳短波辐射; J an为大气长波辐射; Jwr为水自身长波辐射; Jcc 为传导对流热转移; J ec 为蒸发热损 失。
关于沉淀池水力学的工作主要集中在由密度较大进水混合液引起的异重流[ 4, 5, 11, 13] 。1997 年 Krebs 用玻璃微球
代替活性污泥在实验室内重现了异重流[ 3] 。另一方面, 由于不均匀的温度分布也能产生异重流[ 14] 。Zhou 等人
通过实验研究了较高温度的液体进入沉淀池引起的流场变化, 在此基础上建立了由温度效应主导的沉淀池水力 学模型[ 15] 。Wells 等在实际运行的沉淀池上通过观测发现池表面和底部温差达到 1 就能够引起异重流, 并指
1 数学模型
1 1 基本方程 欧拉模型通过分别求解各相的控制方程模拟多相分离流, 及相间的相互作用。本模型采用三相假设, 主相
为水, 第二相为聚集絮凝的活性污泥, 第三相为分散的污泥和其他固相物质, 包括老化的微生物。每相控制方 程包括: 1 1 1 连续方程:
t ( q q ) + ( q q q ) = mp q - m qp + Sq
第 6期
蒋成义等: 辐流式二沉池中异重流的计算流体力学模型研究
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模型验证: Wells 实验[ 5] 是在一个实际运行的辐流式沉淀池进行的( 沉淀池尺寸见图 1) 。实验中入流流速 为 0 04 m3/ s, 入流悬浮固体浓度为 2 000 mg/ L, 活性污泥回流率为 40% , 入流温度为 13 7 , 有效停留时间为 10 6 h。数值模拟中考虑污泥的回流率为 40% , 入流流速设为 0 056 m3/ s, 池子底部的污泥出流流速为 0 016 m3/ s, 池子右边的出流堰固定流速设为 0 04 m3/ s( 图 1) 。其他的计算数据见表 1:
a = 0 937 10- 5( T a + 273)4( 1 + 0 16C2l )
( 8) a 为空气发 射率, 通常采用
( 9)
式中 Cl 为云层覆盖分数。
表面水的长波辐射:
Jwr = w ( T w + 273) 4
( 10)
式中 w 为水的发射率, w = 0 97[ 22] ; Tw 为表面水的温度。
蒸发热损失用 Ryan & Harleman 得出的结果估算[ 24] :
J ec = ( 6 89+ 3 07UW) ( es - ea )
( 11)
式中
UW 为 风速;
es 为水的饱和蒸汽压,
es = 6 11exp
17 27T W 237 3+ TW
;
ea 为空气 的 蒸汽 压,
ea =
hr6 11exp
17 27Ta 237 3+ T a
,
hr 为空气相对湿度。
对流传导用 James 等提议的公式计算[ 22] :
B=
J cc J ec
=
0
61
Pa P
Tw - Ta es - e a
( 12)
式中 Pa 为沉淀池所在地的大气压; P 为海平面参考大气压。
用式( 12) 同 CFD 结合起来计算模拟表面水温度和热通量, Wells 等采用了类似方法模拟沉淀池[ 5] 。
采用 Boussinesq 近似处理表面散热引起的温度不均匀分布导致的浮升力效应, Boussinesq 假设所有方程中密
度是常数, 只有动量守恒方程中浮升力项( q qg ) 采用如下近似:
( - 0) g = - T 0g
( 5)
式中 为流体的密度; 0 为参考温度下流体的密度; T 为流体温度同参考温度间的差值; 为热膨胀系数; g 为重力加速度。该假设在计算区域( 如沉淀池内) 温度变化较小时, 如 ( T - T 0) < < 1, 可得到很好的结果。
R pq= - R qp 和 Rqq= 0, 相间相互作用力采用 Schiller naumann 模型[ 19] 。
1 1 3 能量方程:
t ( q qhq) +
(
q q u qhq ) = -
q
pq t
+
= q:
q q + Sq + Qp q
( 4)
式中 hq 为 q 相的比焓; q q 为热通量; Sq 为焓源项; Q pq 为p 相和 q 相间的热交换强度。相间热交换必须满足 局部平衡条件 Qpq= - Qqp , Qqq = 0, 采用 ranz marshall 模型[ 20, 21] 。