不同池形中推流搅拌器功率消耗的数值模拟_施卫东
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设置 将计算流场进口断面等直径延伸 , 使计算流场 的进口 , 设置在距搅拌器叶片上游 4 倍圆管直径处 , 此时, 可以认为来流速度在整个断面上均匀分布. 进 口采用速度进口边界条件 ; 在水池的出口处, 由于其 离叶片的出口足够远 , 流动认为是充分发展的 , 可采 用自由出流边界条件 ; 所有池壁、 搅拌轴及搅拌叶片 表面均采用无滑移壁面边界条件. 采用动坐标系技 术 ( MRF ) , 以清水为介质. 采用有限 体积法进行方程 离散, 采 用 SI M PLE 算法, 压力 - 速度的耦合采用 P ISO 算法, 对流项的 离散采用一阶迎风差分格式 量的残差绝对值小于 10 .
图 9 v in = 1. 2 m / s渐进圆管池速度云图 F ig . 9 V eloc ity d istr ibution o f evo lution pond
图 6 矩形池速度云图 F ig . 6 V e loc ity distribution of rec tangu lar pond
图 7 直圆管池速度云图 F ig . 7 V e loc ity distribution of circu la r pond
图 5 渐进圆管池的网格图 F ig . 5 G r id of evo lution pond
- 4 [ 5]
图 8 v in = 0. 6 m / s渐进圆管池速度云图 F ig . 8 V eloc ity d istr ibution o f evo lution pond
. 收敛判据为所有变
4 数值计算结果
在进口速度为 0 . 6 m / s条件下 , 分别对矩形水 池、 直圆管水池、 渐进圆管水池和突变圆管水池等 4
3 数值计算方法
近几十年来, 计算流体动力学 CFD 得到迅速发 展和 应用, FLUENT, CFX, FLOW 3D, F IDAP, ANSYS 等软件已被大量应用于水轮机、 泵等水力机械的性 能预测与优化设计中. 实践证明, 计算结果已经能指 导生产实践. 笔者将借助 FLUENT 6 . 0 对水池内的 搅拌流动进行数值模拟 . 3 . 1 控制方程 控制方程 包括连 续性 方程、 雷 诺时 均方程 及 RNG k ~ 模型中的 k 方程和 uj = 0 xj 方程
2
ui ui 为非定常项; uj 为对 t xj
流项;
ui fi 为 体 积力 ; C 1 = 1 . 42 ; 2 为 扩散 项; xj
C2 = 1 . 68 ; k 为湍动能; 为耗散率. 3 . 2 网格划分 计算中使用 GAM B I T 软件来划分网格 , 采用的 网格是四面体非结构网格 , 在搅拌叶片附近进行局 部加密 . 这种非结构网格虽然生成过程比较复杂, 但 却有着极好的适应性, 尤其是对具有复杂边界的流 场计算问题特别有效 . 以渐进圆管水池为例, 生成的 网格如图 5 所示 , 网格总数约 160 000 .
摘 要 : 利用 FLUENT 6 . 0 大型计算 流体力学软件 , 采用非结构 化四面体网格 , 动坐标系 技术, k - 湍流模型和 SI M PLE 算法, 对城市污水处理中, 矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变圆管等 4 种池形 的水池进行了全池数值模拟. 分析了池内流体的速度场 , 并对不同水池中污水处理搅拌器消耗的功 率进行了数值计算与分析 , 对其性能进行了预测. 计算研究发现, 在满足规范的池内整体流速条件 下 , 渐进圆管水池中搅拌器消耗的功率最小; 直圆管水池内流体流动较为稳定, 渐进圆管水池内流 体流动效果次之 , 突变圆管水池内的流体流动效果最差. 因此 , 渐进圆管水池和直圆管水池是较理 想的污水搅拌水池. 关键词 : 水池; 搅拌器 ; 功率; 数值模拟 ; 性能预测 中图分类号 : X703 . 3 ; TQ051 . 7+ 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1005- 6254( 2009) 03- 0140- 05
[ 2] [ 1]
. 这个流速一般
. 污水 搅拌池 有很多 种, 例如沉 砂池、 曝气 池
等, 污水水池的形状对搅拌器的搅拌效果影响很大,
收稿日期 : 2009- 3- 25 基金项目 : 江苏省 333 工程 项目 ; 国家 863 计划项目 ( 2007AA 05Z207) 作者简介 : 施卫东 ( 1964 ) , 男 , 江苏南通人 , 研究员 , 博导 ( w dsh@ i u js . edu. cn) , 主要从事流体机械理论及工程研究 . 田 飞 ( 1981 ) , 女 , 江苏南通人 , 硕士生 ( hu angz i_ fe@ i 163. com ) , 主要从事流体机械研究 .
图 4 突变圆管池 F ig . 4 Sudden change pond 图 3 渐进圆管池 F ig . 3 E vo lu tion pond
( 1) m; n 为转 速 ,
用 P ro /E 三维造型软件对搅拌器进行设计 , 扫
2
装置模型的设计与建模
搅拌器转速 n = 980 r /m in , 轴流式翼形叶片 ,
[ 5- 8]
: ( 2)
图 1 矩 形池 F ig . 1 R ec tangu lar pond
ui ui p + uj =+ t xj xi
2
ui fi 2 + xj
( 3)
142
排
灌
机
械
第 27 卷
( k) + t ( t ) (
( kui ) = xi ui ) xi
xi
k
k + G + k xj ( 4) C1 Gk - C k
描混合生成曲面, 再进行曲面的过渡链接、 光顺处理 等操作, 完成叶片的整体造型; 运用旋转和拉伸 , 完 成水池的整体造型 .
叶片数为 2 , 叶片直径 302 mm, 轮毂直径 80 mm. 参照管路和水池的设计经验以及有关文献, 分 别设计了矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变圆管等 4 种 水池, 水池总长为 11 m. 矩形池如图 1所示 , 深度 302 mm; 直圆管水池如图 2 所示. 由于太小或太大的扩 散角对扩散管流量效率不利, 最佳流量效率的扩散 角大约在 20 ~ 40 之间, 本研究中设计的渐进圆管 的扩散角为 30 . 渐进圆管和突变圆管分别如图 3 、 图 4 所示.
第 27 卷 第 3 期 2009 年 5月
排 灌 机 械 D ra inag e and Irrig ation M ach inery
V o.l 27 N o . 3 M ay 2009
不同池形中推流搅拌器功率消耗的数值模拟
施卫东, 田 飞, 曹卫东, 陈 斌, 张德胜
( 江苏大学 流体机械工程技术研究中心 , 江苏 镇江 212013 )
Abstract : Four d ifferent ponds w ere si m u lated by FLUENT 6 . 0 , using unstructured tetrahedron grid and MRF techno lo gy w ith k - tu rbu lence m odel and SI M PLE algorithm. In urban w aste w ater treat m en, t rec tangu lar pond , circular pond , evo lu t io n pond and sudden change pond w ere si m ulated . T he flow ve lo c ity fields in the ponds w ere analyzed , the pow ers w ere stu died , and the perfor m ances o f these ponds w ere forecasted . R esults show that m ixer s pow er consum otion is the sm a lle st in th e evo lu t io n pond , in the sudden change pond the flu id flow is the w ors, t and in the circu lar/ evolution pond the flu id flow is bet ter . T he circular/ evo lu tion ponds are su itable for the m ixer . K ey w ord s : pond; m ixer ; pow er ; num erical si m ulation ; perfo r m ance forecast 在城市污水处理的过程中 , 由于工艺需要 , 污水 和污泥的混合液必须以一定的流速在池体内循环流 动 . 如果流速过低, 不 仅会使污水处 理无法连续进 行 , 而且会使混合液中的污泥絮凝沉淀, 使池底大量 积泥, 必将大大减少池体 的有效容积 , 降低处理效 果 , 影响出水水质 . 因此 , 常需要借助水力机械 潜水搅拌器的搅 拌、 推动 , 使得混合 液保持一定流 速 , 将污水与回流和再循环水流混合在一起, 使悬浮 固体均匀分布, 从而使微生物与污水之间有充分的 接触 , 达到混合搅拌、 推进的作用 定在 0. 3~ 0. 6 m / s之间. 水池是污水处理工程中常见 的用人工材料修 建、 具有防渗作用的水处理设施. 根据其地形和土质 条件 , 可以修建在地上或地下 , 即分为开敞式和封闭 式两大类 ; 按形状特点又可分为圆形和矩形两种 ; 因 建筑材料不同可分为砖池、 浆砌石池、 钢筋混凝土池 等
第 3期
施卫 东等 : 不同池形中推流搅拌器功率消耗的数值模拟
141
池形不同, 会引起搅拌功率、 出口速度的变化 . 在搅 拌过程中, 根据混合情况确定搅拌器的功率, 使搅拌 器既能满足生产的需要, 又能最大限度地减少能耗 , 是广大科技工作中追求的目标 . 本研究将模拟计算 同一个推流搅拌器在矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变 圆管等 4 种池形水池内的工作情况, 对比不同的功 率消耗 , 并分析其原因 , 为选择合理的池形、 提高污 水处理效率提供理论参考依据 .
图 2 直圆管 池 F ig . 2 C ircu la r pond
1 功率预测方法
对某一物性的液体, 用一定形式的搅拌器以某 一转速进行搅拌时, 搅拌器将对液体作功并使之发 生流动 , 搅拌器将消耗功率 . 搅拌功率消耗的影响因 素十分复杂 , 通常与搅拌流体的物性、 搅拌装置的几 [3 , 4] 何尺寸和形状, 以及搅拌操作参数均有关 . 数值 计算中 , 通常利用简化公式进行功率消耗预测 : P = 2 M n /60 式 中 P 为 功 率, W; M 为 扭矩 , N r /m in . 由于湍流模型的假设简化条件 , 数值计算时忽 略了机械损失、 容积损失等 , 因此, 公式 ( 1 ) 计算得 到的数值偏小.
Num erical si m ulation of m ixer pow er consumptions in different ponds
Shi W eidong, T ian F ei , Cao W eidong, Chen B in , Zhang D esheng
( T echn ical and R esearch C enter of F lu id M ach inery Eng ineering, J iangsu U n iversity , Zh en jiang, J iangsu 212013, C h ina)
2 2
种水池进行水池内部流体三维流场数值模拟; 在进 口速度为 1 . 2 m / s的条件下 , 分别对渐进圆管水池 和突变圆管水池等 2 种水池, 进行水池内部流体三 维流场数值计算. 池内不同截面的速度流场云图分 别如图 6~ 图 11 所示.
+
=
xi
xj
+
k ( 5)
以上式中 i, j = 1 , 2 , 3 ;
图 9 v in = 1. 2 m / s渐进圆管池速度云图 F ig . 9 V eloc ity d istr ibution o f evo lution pond
图 6 矩形池速度云图 F ig . 6 V e loc ity distribution of rec tangu lar pond
图 7 直圆管池速度云图 F ig . 7 V e loc ity distribution of circu la r pond
图 5 渐进圆管池的网格图 F ig . 5 G r id of evo lution pond
- 4 [ 5]
图 8 v in = 0. 6 m / s渐进圆管池速度云图 F ig . 8 V eloc ity d istr ibution o f evo lution pond
. 收敛判据为所有变
4 数值计算结果
在进口速度为 0 . 6 m / s条件下 , 分别对矩形水 池、 直圆管水池、 渐进圆管水池和突变圆管水池等 4
3 数值计算方法
近几十年来, 计算流体动力学 CFD 得到迅速发 展和 应用, FLUENT, CFX, FLOW 3D, F IDAP, ANSYS 等软件已被大量应用于水轮机、 泵等水力机械的性 能预测与优化设计中. 实践证明, 计算结果已经能指 导生产实践. 笔者将借助 FLUENT 6 . 0 对水池内的 搅拌流动进行数值模拟 . 3 . 1 控制方程 控制方程 包括连 续性 方程、 雷 诺时 均方程 及 RNG k ~ 模型中的 k 方程和 uj = 0 xj 方程
2
ui ui 为非定常项; uj 为对 t xj
流项;
ui fi 为 体 积力 ; C 1 = 1 . 42 ; 2 为 扩散 项; xj
C2 = 1 . 68 ; k 为湍动能; 为耗散率. 3 . 2 网格划分 计算中使用 GAM B I T 软件来划分网格 , 采用的 网格是四面体非结构网格 , 在搅拌叶片附近进行局 部加密 . 这种非结构网格虽然生成过程比较复杂, 但 却有着极好的适应性, 尤其是对具有复杂边界的流 场计算问题特别有效 . 以渐进圆管水池为例, 生成的 网格如图 5 所示 , 网格总数约 160 000 .
摘 要 : 利用 FLUENT 6 . 0 大型计算 流体力学软件 , 采用非结构 化四面体网格 , 动坐标系 技术, k - 湍流模型和 SI M PLE 算法, 对城市污水处理中, 矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变圆管等 4 种池形 的水池进行了全池数值模拟. 分析了池内流体的速度场 , 并对不同水池中污水处理搅拌器消耗的功 率进行了数值计算与分析 , 对其性能进行了预测. 计算研究发现, 在满足规范的池内整体流速条件 下 , 渐进圆管水池中搅拌器消耗的功率最小; 直圆管水池内流体流动较为稳定, 渐进圆管水池内流 体流动效果次之 , 突变圆管水池内的流体流动效果最差. 因此 , 渐进圆管水池和直圆管水池是较理 想的污水搅拌水池. 关键词 : 水池; 搅拌器 ; 功率; 数值模拟 ; 性能预测 中图分类号 : X703 . 3 ; TQ051 . 7+ 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1005- 6254( 2009) 03- 0140- 05
[ 2] [ 1]
. 这个流速一般
. 污水 搅拌池 有很多 种, 例如沉 砂池、 曝气 池
等, 污水水池的形状对搅拌器的搅拌效果影响很大,
收稿日期 : 2009- 3- 25 基金项目 : 江苏省 333 工程 项目 ; 国家 863 计划项目 ( 2007AA 05Z207) 作者简介 : 施卫东 ( 1964 ) , 男 , 江苏南通人 , 研究员 , 博导 ( w dsh@ i u js . edu. cn) , 主要从事流体机械理论及工程研究 . 田 飞 ( 1981 ) , 女 , 江苏南通人 , 硕士生 ( hu angz i_ fe@ i 163. com ) , 主要从事流体机械研究 .
图 4 突变圆管池 F ig . 4 Sudden change pond 图 3 渐进圆管池 F ig . 3 E vo lu tion pond
( 1) m; n 为转 速 ,
用 P ro /E 三维造型软件对搅拌器进行设计 , 扫
2
装置模型的设计与建模
搅拌器转速 n = 980 r /m in , 轴流式翼形叶片 ,
[ 5- 8]
: ( 2)
图 1 矩 形池 F ig . 1 R ec tangu lar pond
ui ui p + uj =+ t xj xi
2
ui fi 2 + xj
( 3)
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排
灌
机
械
第 27 卷
( k) + t ( t ) (
( kui ) = xi ui ) xi
xi
k
k + G + k xj ( 4) C1 Gk - C k
描混合生成曲面, 再进行曲面的过渡链接、 光顺处理 等操作, 完成叶片的整体造型; 运用旋转和拉伸 , 完 成水池的整体造型 .
叶片数为 2 , 叶片直径 302 mm, 轮毂直径 80 mm. 参照管路和水池的设计经验以及有关文献, 分 别设计了矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变圆管等 4 种 水池, 水池总长为 11 m. 矩形池如图 1所示 , 深度 302 mm; 直圆管水池如图 2 所示. 由于太小或太大的扩 散角对扩散管流量效率不利, 最佳流量效率的扩散 角大约在 20 ~ 40 之间, 本研究中设计的渐进圆管 的扩散角为 30 . 渐进圆管和突变圆管分别如图 3 、 图 4 所示.
第 27 卷 第 3 期 2009 年 5月
排 灌 机 械 D ra inag e and Irrig ation M ach inery
V o.l 27 N o . 3 M ay 2009
不同池形中推流搅拌器功率消耗的数值模拟
施卫东, 田 飞, 曹卫东, 陈 斌, 张德胜
( 江苏大学 流体机械工程技术研究中心 , 江苏 镇江 212013 )
Abstract : Four d ifferent ponds w ere si m u lated by FLUENT 6 . 0 , using unstructured tetrahedron grid and MRF techno lo gy w ith k - tu rbu lence m odel and SI M PLE algorithm. In urban w aste w ater treat m en, t rec tangu lar pond , circular pond , evo lu t io n pond and sudden change pond w ere si m ulated . T he flow ve lo c ity fields in the ponds w ere analyzed , the pow ers w ere stu died , and the perfor m ances o f these ponds w ere forecasted . R esults show that m ixer s pow er consum otion is the sm a lle st in th e evo lu t io n pond , in the sudden change pond the flu id flow is the w ors, t and in the circu lar/ evolution pond the flu id flow is bet ter . T he circular/ evo lu tion ponds are su itable for the m ixer . K ey w ord s : pond; m ixer ; pow er ; num erical si m ulation ; perfo r m ance forecast 在城市污水处理的过程中 , 由于工艺需要 , 污水 和污泥的混合液必须以一定的流速在池体内循环流 动 . 如果流速过低, 不 仅会使污水处 理无法连续进 行 , 而且会使混合液中的污泥絮凝沉淀, 使池底大量 积泥, 必将大大减少池体 的有效容积 , 降低处理效 果 , 影响出水水质 . 因此 , 常需要借助水力机械 潜水搅拌器的搅 拌、 推动 , 使得混合 液保持一定流 速 , 将污水与回流和再循环水流混合在一起, 使悬浮 固体均匀分布, 从而使微生物与污水之间有充分的 接触 , 达到混合搅拌、 推进的作用 定在 0. 3~ 0. 6 m / s之间. 水池是污水处理工程中常见 的用人工材料修 建、 具有防渗作用的水处理设施. 根据其地形和土质 条件 , 可以修建在地上或地下 , 即分为开敞式和封闭 式两大类 ; 按形状特点又可分为圆形和矩形两种 ; 因 建筑材料不同可分为砖池、 浆砌石池、 钢筋混凝土池 等
第 3期
施卫 东等 : 不同池形中推流搅拌器功率消耗的数值模拟
141
池形不同, 会引起搅拌功率、 出口速度的变化 . 在搅 拌过程中, 根据混合情况确定搅拌器的功率, 使搅拌 器既能满足生产的需要, 又能最大限度地减少能耗 , 是广大科技工作中追求的目标 . 本研究将模拟计算 同一个推流搅拌器在矩形、 直圆管、 渐进圆管和突变 圆管等 4 种池形水池内的工作情况, 对比不同的功 率消耗 , 并分析其原因 , 为选择合理的池形、 提高污 水处理效率提供理论参考依据 .
图 2 直圆管 池 F ig . 2 C ircu la r pond
1 功率预测方法
对某一物性的液体, 用一定形式的搅拌器以某 一转速进行搅拌时, 搅拌器将对液体作功并使之发 生流动 , 搅拌器将消耗功率 . 搅拌功率消耗的影响因 素十分复杂 , 通常与搅拌流体的物性、 搅拌装置的几 [3 , 4] 何尺寸和形状, 以及搅拌操作参数均有关 . 数值 计算中 , 通常利用简化公式进行功率消耗预测 : P = 2 M n /60 式 中 P 为 功 率, W; M 为 扭矩 , N r /m in . 由于湍流模型的假设简化条件 , 数值计算时忽 略了机械损失、 容积损失等 , 因此, 公式 ( 1 ) 计算得 到的数值偏小.
Num erical si m ulation of m ixer pow er consumptions in different ponds
Shi W eidong, T ian F ei , Cao W eidong, Chen B in , Zhang D esheng
( T echn ical and R esearch C enter of F lu id M ach inery Eng ineering, J iangsu U n iversity , Zh en jiang, J iangsu 212013, C h ina)
2 2
种水池进行水池内部流体三维流场数值模拟; 在进 口速度为 1 . 2 m / s的条件下 , 分别对渐进圆管水池 和突变圆管水池等 2 种水池, 进行水池内部流体三 维流场数值计算. 池内不同截面的速度流场云图分 别如图 6~ 图 11 所示.
+
=
xi
xj
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k ( 5)
以上式中 i, j = 1 , 2 , 3 ;