水处理反应器的计算流体力学
反应器流体力学的计算分析与优化研究
反应器流体力学的计算分析与优化研究反应器流体力学的计算分析可以通过数值模拟方法来实现。
数值模拟方法通常通过离散化反应器内的流体区域，将流体力学方程和质量守恒方程进行数值求解，得到流动场和浓度场的分布。
这些模拟方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法等。
通过模拟得到的流动场和浓度场，可以评估反应器的性能，并对其进行优化设计。
在反应器流体力学的计算分析中，流体物理性质是一个关键的参数。
这涉及到流体的粘度、密度、热导率等物理性质，这些参数需要根据实际情况来估计或测量。
此外，反应器的几何形状也是计算分析的关键参数。
几何形状包括反应器的尺寸、形状和结构，与反应器内部的流体流动形式密切相关。
基于反应器流体力学的计算分析，可以对反应器内的气体和液体流动行为进行定量描述，并进行反应器设计与操作的优化。
优化的目标可以包括最大化反应速率、最小化质量传递阻力、最小化能量损失等。
优化可以基于数值模拟结果，通过逐步调整反应器的几何形状和操作参数，来实现最佳的反应器性能。
在分析与优化过程中，还需要考虑到实际条件的限制，例如反应器的材料耐受性、能源成本等。
同时，反应器的安全性也是重要的考虑因素之一、反应器流体力学分析与优化的研究可以帮助工程师们理解反应器内的复杂流动现象，从而提高反应器的设计与运行效率，降低成本，减少排放和能源消耗。
总之，反应器流体力学的计算分析与优化研究对于优化反应器的设计与操作具有重要意义。
通过数值模拟方法，可以定量描述反应器内的流动
行为，并进行优化设计。
这将有助于提高反应器的性能，降低成本，减少环境污染，从而在工程实践中发挥重要作用。
化学反应模拟中的计算流体力学方法指南
化学反应模拟中的计算流体力学方法指南引言：在化学工程领域，模拟化学反应过程对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）方法以其快速、准确、经济的特点在化学反应模拟中被广泛应用。
本文旨在为化学工程师提供一份关于化学反应模拟中计算流体力学方法的指南，帮助他们选择适合的CFD方法，从而实现准确且有效的反应模拟。
一、计算流体力学方法概述：计算流体力学是一种数值模拟方法，用于描述在给定的边界条件下流体运动的物理现象。
它基于质量、动量和能量守恒定律以及流体的连续性、动量和能量守恒方程，通过数值解这些方程来模拟流体的行为。
在化学反应模拟中，计算流体力学方法可以用于描述流体的混合、传热和质量转移等过程。
二、化学反应模拟中常用的计算流体力学方法：1. Euler法：Euler法是最基本的CFD方法之一，它假设流体是连续和不可压缩的，适用于密度相对稳定的情况。
Euler法通过离散化流体域，将流体领域划分为有限体积，计算流体在每个体积元内的平均参数。
然后通过求解守恒方程来模拟流体的运动和行为。
2. Navier-Stokes方程：Navier-Stokes方程是CFD中最基本的方程之一，描述了流体的宏观行为。
基于Navier-Stokes方程的CFD方法可以模拟各种流体现象，如流动、湍流、传热等。
对于化学反应模拟，考虑到反应过程中产生的温度、压力、速度等因素，基于Navier-Stokes方程的CFD方法能够提供更准确的结果。
3. 湍流模拟：湍流是许多化学反应过程中不可避免的现象，因此模拟湍流对于准确描述反应过程至关重要。
常见的湍流模拟方法包括雷诺平均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）。
RANS 方法适用于平均湍流场，而LES方法则可以模拟湍流尺度小于网格尺度的流体湍流。
计算流体力学模拟技术在化工过程设计中的应用指南
计算流体力学模拟技术在化工过程设计中的应用指南计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术是在计算机上对流体流动的运动进行数值模拟和分析的一项重要技术。
它通过对流体的宏观性质进行建模和离散化计算，可以预测和优化流体流动的行为，为化工过程设计提供了重要的工具和方法。
一、CFD模拟在化工过程设计中的意义CFD模拟技术具有较高的精度和灵活性，可以模拟和分析各种复杂的流体流动情况，如气体、液体和颗粒物的流动、传热和反应等。
在化工过程设计中，CFD模拟可以提供以下方面的帮助。
1. 流体力学特性分析。
通过CFD模拟可以获得流动场中的各种物理量分布，如速度、压力、温度等，从而对流体流动的特性进行分析和评估。
这有助于设计和优化化工设备，提高其工作效率和安全性。
2. 设备性能评估。
利用CFD模拟，可以模拟和分析化工设备的运行情况，包括反应器、分离塔、换热器等。
通过评估设备的性能指标，如传热系数、分离效率等，可以优化设备结构和参数，提高设备的性能和经济性。
3. 流动过程优化。
CFD模拟可以模拟和预测复杂的流体流动过程，如搅拌过程、混合过程和反应过程等。
通过调整流动的结构和参数，可以优化流动过程，提高反应效率和产物选择性。
二、CFD模拟在化工过程设计中的应用案例下面通过几个具体的应用案例，说明CFD模拟在化工过程设计中的应用指南。
1. 反应器设计与优化在化学反应中，反应器的设计和优化对于提高反应效率和产物选择性至关重要。
CFD模拟可以模拟和分析反应器中的流体流动和反应过程，通过调整反应器结构和参数，提高传质效果和反应均匀性。
可以优化反应器的温度分布、压力场和物质传递方式，进而提高反应速率和产物质量。
2. 搅拌槽的仿真和优化搅拌槽是一种常见的化工设备，在化工过程中起到混合物料、加热反应等作用。
CFD模拟可以模拟和分析搅拌槽中的流动和混合过程，通过调整搅拌器的参数（如转速、叶片形状等），可以优化搅拌槽的流体流动和混合效果。
水处理计算方法
1. 工程上计算时，水管路，压力常见为0.1--0.6MPa，水在水管中流速在1--3米/秒，常取1.5米/秒。
流量=管截面积X流速=0.002827X管径^2X流速(立方米/小时)^2：平方。
管径单位：mm管径=sqrt(353.68X流量/流速)sqrt：开平方饱和蒸汽的公式与水相同，只是流速一般取20--40米/秒。
如果需要精确计算就要先假定流速，再根据水的粘度、密度及管径先计算出雷诺准数，再由雷诺准数计算出沿程阻力系数，并将管路中的管件（如三通、弯头、阀门、变径等）都查表查出等效管长度，最后由沿程阻力系数与管路总长（包括等效管长度）计算出总管路压力损失，并根据伯努利计算出实际流速，再次用实际流速按以上过程计算，直至两者接近（叠代试算法）。
因此实际中很少友人这么算，基本上都是根据压差的大小选不同的流速，按最前面的方法计算。
2. 管道的水力计算包括长管水力计算和短管水力计算。
区别是后者在计算时忽略了局部水头损失，只考虑沿程水头损失。
（水头损失可以理解为固体相对运动的摩擦力）以常用的长管自由出流为例，则计算公式为H=(v^2*L)/(C^2*R),其中H为水头，可以由压力换算，L是管的长度，v是管道出流的流速，R是水力半径R=管道断面面积/内壁周长=r/2，C是谢才系数C=R^(1/6)/n，n是糙率，其大小视管壁光洁程度，光滑管至污秽管在0.011至0.014之间取。
呵呵，计算这个比较麻烦，短管计算更麻烦，公式不好打。
总之，只知道压力和管径，无法算得流速的，因为管道起始端压力一定，管道的流速和管长和糙率成反比。
3. 我公司的一个车间内自来水量不够，现需增加。
开车时用水量在60个立方以上，但现在肯定达不到不知道是增加管径好，还是加个增压泵好？我的流体力学书丢了，现在没法算出60个立方，压力0.1MPa（表压）时，选用多少管径比较节能？主管道大概有55米，每根次管道是3米到30米不等。
请高手帮我算下，或者给出公式。
水处理相关工艺计算公式
水处理相关工艺计算公式水处理是指通过一系列工艺和设备对水进行处理和净化，使之达到特定的品质要求，以适用于各种不同的用途。
对于水处理工艺的计算公式，主要涉及到以下几个方面：流量计算、水质计算、反应速率计算和设备选型等。
1.流量计算：-平均流量计算：平均流量（Q）是指一定时间内通过给定截面的液体体积与时间的比值。
计算公式为：Q=V/t，其中Q为平均流量，V为通过给定截面的液体体积，t为经过的时间。
-流速计算：流速（v）是指液体通过单位截面的速度。
计算公式为：v=Q/A，其中v为流速，Q为流量，A为给定截面的面积。
2.水质计算：-溶解氧计算：溶解氧（DO）是指在一定温度和压力下水中溶解的氧气的浓度。
溶解氧的计算公式为：DO=(C/P)*100，其中DO为溶解氧的浓度，C为溶解氧的含量，P为水的总压力。
-悬浮物浓度计算：悬浮物是指在水中悬浮的固体颗粒。
悬浮物浓度的计算公式为：C=(m/V)*100，其中C为悬浮物的浓度，m为悬浮物的质量，V为水的体积。
3.反应速率计算：-反应速率计算：反应速率是指单位时间内反应物消耗或生成的量。
反应速率的计算公式为：r=ΔC/Δt，其中r为反应速率，ΔC为反应物消耗或生成的量的变化量，Δt为时间的变化量。
-反应速率常数计算：反应速率常数是指在给定条件下反应速率与反应物浓度的关系。
反应速率常数的计算公式为：k=r/C，其中k为反应速率常数，r为反应速率，C为反应物的浓度。
4.设备选型：-净水设备选型：净水设备的选型需要考虑水源的特性、处理效果要求、处理量等因素。
常用的净水设备包括过滤器、反渗透膜、离子交换器等。
选型公式一般采用经验公式或计算公式，如根据水质特点和处理要求来确定所需的设备型号和数量。
-污水处理设备选型：污水处理设备的选型需要考虑污水特性、处理工艺要求、处理量等因素。
常用的污水处理设备包括曝气池、沉淀池、MBR等。
选型公式一般采用设计原则和经验公式，例如根据污水COD浓度和处理效果来确定曝气池的尺寸和风量。
化学反应器的流体力学计算
化学反应器的流体力学计算化学反应器是化学工业中最重要、最关键的设备之一。
在化工过程中，化学反应器内的流体力学性质对反应器的性能、效率、稳定性都有着重要的影响。
因此，在化学反应器的设计和优化中，流体力学计算变得尤为重要。
化学反应器内液流的性质和特点化学反应器内的液流可以看作是流体与反应物、催化剂、反应产物相互作用的结果。
反应器中的管道、搅拌、反应器壁等对流体的流动都会有一定的影响，使得反应器内的流体运动变得复杂。
在这种情况下，学习和掌握反应器内液流的性质和特点对于反应器的设计和优化至关重要。
反应器内流体的流动现象可以归结为以下几种：遇阻流动：反应器中的管道、设备、反应器壁等都会对流体的流动产生阻力。
阻力和液体的速度成正比，对于高流速的液体而言，阻力也会相应增大。
湍流和层流：液体流动的速度仿佛是波浪般变化，并且流速和流量都不稳定，这时液体流动就进入了所谓的湍流状态。
反之，若液体流动较为稳定，没出现波浪状況，则处于層流狀態。
对流：是指在恒温条件下，流体由于密度的差异而产生的运动。
具有密度差异的流体在被加热时，密度越小的流体就会向上移动，密度高的流体就会下沉。
这种现象通常用来解释化学反应器内的温度梯度和质量分布。
反应器内流体的性质和行为，需要通过流体力学计算来进行评估和分析。
此外，对于化学反应器而言，还需要考虑反应物的浓度、反应速度、自由能和活化能等因素对反应器的影响。
化学反应器的流体力学计算化学反应器内液流的特点和行为，不仅对反应器的设计和优化有着重要影响，也对反应过程的质量和效率有着直接的影响。
因此，针对反应器内复杂的液流问题，流体力学计算应运而生。
在化学反应器内液流的计算中，需要考虑的因素非常多。
比如液体的密度、粘度、流速、温度、某些化学反应的速度等等。
针对这些因素，有许多流体力学计算模型可以用来模拟流体的流动和行为。
其中最常用的方法是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟。
计算流体力学在流体运动分析中的应用
计算流体力学在流体运动分析中的应用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种利用数值方法模拟流体运动的工程学科。
该技术可以模拟在实际应用中遇到的多种流动问题，如流体的速度分布、压力分布、悬浮颗粒的运动行为等。
随着计算机硬件和软件的快速发展，CFD技术已经广泛应用于各个领域，例如汽车工业、航空航天工业、电力行业、建筑工业等领域，成为了方便、快捷、可靠的分析工具。
CFD的应用可以对流体运动过程进行深入的分析，为工程师提供技术支持和设计改进方案，同时也可以减少设计周期和成本，提高设计效率和可比性。
以下是CFD在流体运动分析中常见的应用场景。
1. 流体动力学分析CFD可以模拟流体的运动状态，该技术可以用来研究各种流动问题，如流体的速度、压力、温度、密度、离散相等。
例如，CFD可以预测空气动力学原理，研究飞机的气动特性，分析建筑物的通风效果，优化发电厂的燃烧过程等。
2. 液体动力学分析与流体动力学相同，CFD技术也可以模拟液体的运动状态，根据模拟结果进行液体动力学分析，深入了解液体流动的特点，优化设计方案，改进生产过程。
例如，CFD可以用来优化油气管道的设计，分析水泵的流量和压力损失，优化船舶和海洋工程中的流体运动行为等。
3. 流体-固体耦合分析在流体和固体相互作用的系统中，CFD可以模拟流体-固体耦合分析。
例如，在水力发电站水轮机中，CFD可以模拟水流和水轮机之间的相互作用，设计出更高效的水轮机，提高水力发电的效率。
在生物医学工程领域中，CFD可以研究心脏的血流、肺部的呼吸和人体的循环流动，帮助医生更好地理解生物组织的流动特性，优化医疗设备和治疗方案。
4. 离散相流体动力学分析为了准确反映实际流体运动的状态，CFD技术的应用也可以对离散相颗粒的运动进行模拟和计算，以更为深入的方式揭示流体-颗粒相互作用的机理。
例如在排污处理厂、水处理系统中，CFD技术可以模拟流体和颗粒之间的运动，优化处理方案，提高处理效率。
利用计算流体力学技术对水解酸化反应器优化设计及验证
利用计算流体力学技术对水解酸化反应器优化设计及验证张㊀宇1㊀汪冬冬1㊀谭映宇1∗㊀王晓敏1㊀梅荣武1㊀易利芳2㊀殷㊀璐3㊀朱可嘉4(1.浙江省环境保护科学设计研究院,杭州310007;2.浙江宏澄环境工程有限公司,杭州310030;3.浙江省水利水电勘测设计研究院,杭州310012;4.浙江华普环境科技有限公司,杭州310013)摘要:针对现有水解酸化工艺中布水不均,首先利用CFD (Computational Fluid Dynamics )技术,对水解酸化反应器的固液流动状态进行了模拟研究及优化设计㊂首先模拟了多孔布水和不同搅拌桨形状对流态的影响,模拟结果表明:多孔布水有利于泥水分布均匀,提高传质效率;螺旋搅拌增强湍流强度,优于平板搅拌㊂随后以印染废水为处理对象,对数值模拟结果进行了实验验证,结果表明:水解酸化反应器采用多孔布水结合螺旋搅拌的方式更有利于泥水混合均匀,可显著提高印染废水生化性㊂通过计算机指导的辅助设计,为污水处理相关构筑物的设计与优化提供了新的思路㊂关键词:计算流体力学;水解酸化;印染废水OPTIMIZATION DESIGN AND VERIFICATION OF HYDROLYSIS ACIDIFICATION REACTORBY COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICSZhang Yu 1㊀Wang Dongdong 1㊀Tan Yingyu 1∗㊀Wang Xiaomin 1㊀Mei Rongwu 1㊀Yi Lifang 2㊀Yin Lu 3㊀Zhu Kejia 4(1.Environmental Science Research and Design Institute of Zhejiang Province,Hangzhou 310007,China;2.Zhejiang Hongcheng Environmental Engineering Co.,Ltd,Hangzhou 310030,China;3.Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Hangzhou 310012,China;4.Zhejiang Huapu Environmental Technology Co.,Ltd,Hangzhou 310013,China)Abstract :In view of the non-uniformity of water distribution in the hydrolysis acidification process,the solid-state flow state ofthe hydrolysis acidification reactor was simulated and optimized by CFD (Computational Fluid Dynamics)technology.Firstlywe simulated the effect of multi-holes water distribution and different impeller shapes on the flow state.The results showed that multi-holes water distribution is beneficial to the uniform distribution of muddy water and to the improvement of mass transfer efficiency,while spiral stirring is superior to plate stirring in enhancing turbulence intensity.Subsequently,we used dyeingwastewater as the treatment object,and the CFD simulation results were verified by actual experiments.The hydrolysis acidification reactor adopts the multi-holes water distribution combined with the spiral stirring,which is more favorable for theuniform mixing of the muddy water,and can significantly improve the biodegradability of dyeing wastewater.The results showed that the computer-assisted design provided a new idea for the design and optimization of wastewater treatment relatedunits.Keywords :computational fluid dynamics;hydrolytic acidification;dyeing wastewater㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-12-16基金项目:水体污染控制与治理国家科技重大专项(2017ZX07206-002);浙江省科技计划项目(2018C03006)㊂第一作者:张宇(1981-),男,博士,主要研究方向为工业废水处理工艺及技术㊂zhangyu0103@∗通信作者:谭映宇(1979-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为工业废水处理工艺及技术㊂9301112@0㊀引㊀言计算流体力学(CFD,Computational FluidDynamics)是流体力学和计算机数值计算相互交融而形成的一门新兴学科,它通过计算机数值计算和图形显示的方法对物理问题进行求解,从而获得流场的相关信息㊂CFD技术近些年来在污水处理领域逐渐有所应用㊂Larsen等[1]首次利用混合长理论来计算平流式沉淀池中水流的紊动粘性系数,在此基础上提出了沉淀池计算数学模型㊂随后一些学者结合二维k-ε紊流模型和悬浮物输移模型进行了沉淀池数值模拟,并且在平流式沉淀池㊁絮凝沉淀池㊁圆形辐射式沉淀池等的设计㊁运行㊁优化中得到应用[2-4]㊂张庄[5]利用k-ε紊流模型模拟了辐流式沉淀池中的水流流态以及悬浮物浓度分布,并比较分析了不同位置挡板对沉淀池污水处理效果的影响㊂詹咏[6]对絮凝池流场进行了模拟,对所存在的问题提出了改进方案㊂水解酸化工艺在废水处理中广泛应用,水解酸化过程能将非溶性大分子物质转化为溶解性小分子有机物,提高污水的可生化性,便于后续的好氧处理㊂沈鹏飞等[7]对某污水处理厂水解酸化池进行数值模拟,针对池内流速分布不均,存在大面积流速几乎为零的区域,针对性提出改进方案,但是模拟中只考虑到单相流,没有考虑池中污泥的作用;鲍军[8]对某污水处理厂原有蛇形水解酸化反应池流场及污泥淤积进行了数值模拟,并用现场观测数据进行了验证;同时,对其改造方案的升流式水解酸化池进行了污泥运动模拟㊂上述研究对水解酸化池设计㊁优化及运行等环节具有一定的指导意义,但仍然缺乏实测数据或实验模拟验证㊂本研究用CFD技术对水解酸化反应器的布水方式及搅拌桨形状进行了数值模拟及优化设计,并根据模拟结果,优化水解酸化反应器设计,随后以印染废水为研究对象,对改进优化后的水解酸化反应器处理效果进行了评估㊂1㊀实验部分1.1㊀实验装置本实验所用水解酸化反应器的有效容积为4L,底部为圆台,上下底直径分别为9,14cm,高9cm,中间是直径为14cm,高20cm的圆柱,顶部是圆柱出水堰(图1)㊂1.2㊀基于数值模拟的布水器及搅拌桨优化设计基于稳态㊁三维的欧拉-欧拉模型和k-ε湍流模型对容积为4L的水解酸化反应器内液固流动状态进行了数值模拟研究,液固相间作用力采用Huilin-Gidaspow曳力模型[9]㊂水解酸化反应器的布水器有图1㊀水解酸化反应器三维模型及实物9孔㊁19孔㊁37孔(见图2a)3种㊂填料可以作为富集微生物载体,有效防止微生物流失,故模拟增加了填料层,填料层高度为16cm,其顶部距离反应器出口4cm㊂初始时,[0,0.22]m高度范围内固相体积分数分布均匀,取值为0.3㊂颗粒均匀分布,粒径取值为100μm,密度1030kg/m3;水密度1000kg/m3,黏度0.002Pa㊃s㊂水入口采用速度入口,速度方向垂直于入口截面;液相采用无滑移边界条件㊂对螺旋搅拌和平板搅拌模型模拟时(见图2b),将桨叶及其附近区域的流体域设为旋转坐标系,该区域流体随桨叶一起转动;其他外部区域设置为静止坐标系㊂图2㊀水解酸化反应器1.3㊀废水及污泥来源实验用水取自浙江省某印染企业污水处理站调节池,同时采取该污水处理站水解酸化池污泥㊂1.4㊀水解酸化反应器启动与运行分别将现场采取的水解酸化池污泥混合液均匀倒入两组反应器(见图3),沉降后污泥至反应器体积的约1/3处,污泥浓度约为7000~8000mg /L,将聚氨酯填料加入反应器,随后加入现场采取的印染废水至反应器顶端,开启蠕动泵循环接种㊂循环接种7d后,正常载入现场采取的印染废水,废水从底部载入,流经中间填料层,缓慢上升,从顶部流出,停留时间为15h,总计运行60d,期间间隔取样,分别测定两组反应器出水COD Cr ㊁BOD 5㊁挥发性脂肪酸和脱色效率变化㊂图3㊀本研究所使用的两套水解酸化反应装置1.5㊀分析方法COD Cr 和BOD 5测定参照标准方法[10]㊂挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA):采用㊀㊀滴定法,取100mL 水样于蒸馏瓶中,加入100g /L NaOH 调至碱性,蒸馏至瓶中体积为50~60mL 时加蒸馏水至100mL,冷却后加入10mL 体积分数10%磷酸酸化,在接收瓶中放入10~20mL 蒸馏水,并使接收瓶与蒸馏瓶的冷凝管连接,蒸馏至瓶中液体为15~20mL 时,再加入50mL 蒸馏水再次蒸馏至15~20mL,最后用0.1mol /L 的NaOH 标准溶液滴定馏出液至淡粉色不消失为止㊂脱色率:采用色度仪测定处理前后色度变化,脱色效率(r )=(A 0-A 1)ˑ100/A 0,其中A 0为初始水样色度仪读数,A 1为经水解酸化处理后水样色度仪读数㊂2㊀结果与讨论2.1㊀多孔布水的数值模拟及布水方式优化基于实际复合式水解酸化工艺考虑,填料可以作为微生物生长的载体,防止微生物大量流失,故本次模拟增加了填料层,分别对9孔㊁19孔和37孔3种布水方式的小型升流式水解酸化反应器进行了模拟,速度云图如图4所示㊂升流式水解酸化反应器内形成了中心流速高㊁边壁区域流速低的环核流动结构,这种环核流动结构将引发反应内的返混现象㊂返混可强化质量传递和反应过程㊁增强微生物与污染物的接触,提高反应器处理效率,其中37孔布水返混强度最高㊂图4㊀水解酸化反应器x 截面和y 截面速度云图㊀㊀3种布水方式的水解酸化反应器的不同y 截面的固相体积分率云图如图5所示㊂可知:随着来流的均匀分布,固相流化高度逐渐增大,但均无污泥溢出现象㊂其中,37孔布水的水解酸化反应器内的单位体积污泥量最少,有利于泥水充分反应,进而提高水解酸化效率㊂2.2㊀不同搅拌形式的数值模拟及搅拌形式优化搅拌形式分别模拟平板搅拌和螺旋搅拌,两种搅拌形式的搅拌桨叶片长70mm,宽40mm,厚度为1mm,转速为20r /min㊂速度云图和固相体积分率云图的数值模拟结果分别如图6和图7所示㊂对比图4和图6可知,搅拌进一步促进了液固两相的轴向混合和径向混合,有利于泥水充分反应;对比图5和图7可知,搅拌进一步削弱污泥分布的非均匀性,降低了淤积可能性,螺旋搅拌桨的混合效果明显优于平板搅拌桨㊂图5㊀水解酸化反应器x 截面和y截面的固相体积分率云图图6㊀不同搅拌形式的水解酸化反应器x =0截面的速度云图图7㊀水解酸化反应器x =0截面固相体积分率云图2.3㊀水解酸化处理提高印染废水可生化性根据CFD 模拟结果改进了水解酸化反应器:其中反应器1为对照,采用19孔布水,平板搅拌;反应器2为根据CFD 模拟结果改进的反应器,采用37孔布水,螺旋搅拌㊂两组反应器经7天的污泥挂膜后连续载入现场采取的印染废水,评估对比两组反应器各自的水解酸化效率:分别考察了两组反应器运行期间挥发性脂肪酸㊁脱色效率㊁COD Cr 和BOD 5/COD Cr ㊂VFA 是难降解大分子物质在水解酸化过程中重要的中间产物,可被用来衡量系统微生物的活性[11]㊂在水解酸化过程中,进出水的VFA 含量差值越大,说明水解酸化效果越好㊂两组小试装置VFA,污泥挂膜期间(前7天)两套装置VFA 差值变化不大,随后两个反应器的VFA 含量逐渐提高(图8a),反应器1(对照组)运行后40d 出水VFA 平均值为(2.58ʃ0.69)mmol /L,而反应器2(优化设计组)出水VFA平均值为(4.16ʃ0.84)mmol /L,相比对照组提高约1.6倍㊂经水解酸化处理后,经两组反应器处理后出水COD 在100~400mg /L㊂在启动挂膜阶段,两组反应器的差别不大,连续载入印染废水后,经反应器2处理后出水的COD 变化曲线显著低于反应器1(图8b)㊂印染废水含有剩余染料,脱色主要发生在厌氧阶段[12-14],因此脱色率可以作为反映水解酸化效果的一项指标㊂两组反应器的出水脱色率都随着运行时间逐步提高(图8c),反应器2运行期间(10~60天)的脱色率为37%~74%,平均脱色率约为55%,反应器1启动后的脱色率为,平均脱色率为33%~57%,平均脱色率约为45%,因此反应器通过改进优化后,平均水解酸化效率提高10%㊂印染废水中一些不溶性有机物㊁剩余染料及助剂等经过水解酸化可以转化为小分子物质,从而提高B /C [15],因此可通过监测进出水的B /C 评价两套反应器水解酸化能力㊂在启动挂膜阶段,两组反应器的出水B /C 比值缓慢提高(图8d),随后,反应器2的B /C 比值为0.26~0.42,平均B /C 比值约为0.34,而反应器1启动后的B /C 比值为0.22~0.31,平均B /C图8㊀两组水解酸化反应器运行期间水质指标变化曲线比值约为0.27,反应器通过改进优化后,B/C比值提高1.26倍㊂综上,基于CFD模拟结果,水解酸化反应器经过优化设计后,对印染废水的水解酸化效率显著提高㊂3㊀结㊀论利用CFD模拟技术,对水解酸化反应器的布水方式及搅拌形式进行了优化设计,结果表明:37孔布水表现出更高的固相体积分率,短流区域面积也是相对较小,优于19孔和9孔布水;螺旋搅拌桨不仅有横向速度,还有轴向运动速度,使得泥水混和更加均匀,降低了活性污泥淤积的可能性,优于平板搅拌桨㊂基于CFD模拟结果,对实际的水解酸化反应器进行优化设计,结果表明:经优化设计的水解酸化反应器对印染废水处理的水解酸化效率显著提高,为后续好氧生物处理处理创造了条件,上述结果验证了CFD模拟具有较高的准确性,对于相关污水处理系统各工艺单元设计㊁优化以及提高污水处理效率具有较好的指导意义㊂参考文献[1]㊀冯骞,薛朝霞,汪翙.计算流体力学在水处理反应器优化设计运行中的应用[J].水资源保护,2006,22(2):11-15. [2]㊀DEVANTIER B A,LAROCK B E.Modeling Sediment induceddensity currents in sedimentation basins[J].Journal of HydraulicEngineering,1987,113(1):80-94.[3]㊀QUEINNEC I,DOCHAIN D.Modelling and simulation of thesteady-state of secondary settlers in wastewater treatment plants[J].Water Science&Technology A Journal of the InternationalAssociation on Water Pollution Research,2001,43(7):39. 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生物反应器不同搅拌速度的计算流体力学模拟及对悬浮培养cho细胞的影响
生物反应器不同搅拌速度的计算流体力学模拟生物反应器不同搅拌速度的计算流体力学模拟及对悬浮培养cho细胞的影响及
对悬浮培养cho细胞的影响
生物反应器是用于生物过程的装置，其中搅拌速度是影响反应器内流体力学行为和细胞生长的重要参数之一。
计算流体力学（CFD）模拟是一种将流体动力学方程与计算方法相结合的数值模拟方法，可以用于分析生物反应器中不同搅拌速度下的流体行为和对细胞的影响。
通过CFD模拟，可以计算得到反应器内不同搅拌速度下的流
场分布、液体的速度和压力分布，并进一步分析流体的剪切力、混合程度等参数。
这些参数对细胞生长、传质和代谢活性等有着重要的影响。
对于悬浮培养CHO细胞来说，搅拌速度对培养过程中细胞的
悬浮状态、生长和代谢产物的产量都有直接影响。
通过CFD
模拟，可以预测不同搅拌速度下细胞的受力情况、气泡的尺寸和分布等参数，进而优化反应器设计和操作条件，以提高
CHO细胞的生长和代谢活性。
例如，较低的搅拌速度可能导致细胞沉降或聚集，影响氧气和营养物质的传递，从而限制细胞生长和代谢产物的产量。
而较高的搅拌速度可能导致细胞受到较大的剪切力和机械应力，对细胞造成损伤和破坏。
因此，通过CFD模拟可以评估不同搅拌速度下细胞受力情况
和培养环境的变化，为优化细胞培养过程提供重要的参考和指
导。
在实际操作中，可以根据CFD模拟结果选择合适的搅拌速度，以提高CHO细胞的生长和代谢活性，进而提高产量和质量。
CFD在水处理反应器研究中的应用进展
第22卷第6期2011年12月水资源与水工程学报Journal of Water Resources ＆Water EngineeringVol．22No．6Dec ．，2011收稿日期：2011-08-16基金项目：上海市教委重点学科建设项目（J50502）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1102）作者简介：黄远东（1965-），男，湖南邵阳人，博士，教授，从事河流动力学及环境模拟技术的研究。
CFD 在水处理反应器研究中的应用进展黄远东，顾静，赵树夫，周中华，姜剑伟（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）摘要：计算流体动力学（CFD ）已在水处理反应器研究中得到了较为广泛的应用。
本文综述了CFD 技术在固液分离反应器、生物处理反应器以及化学处理反应器研究中的应用现状，并指出了应用中所存在的不足，进而提出了CFD 应用于水处理反应器模拟中有待进一步研究的问题。
关键词：计算流体动力学；水处理；反应器；数值模拟中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-643X （2011）06-0011-05Application progress of CFD in study of water treatment reactorsHUANG Yuandong ，GU Jing ，ZHAO Shufu ，ZHOU Zhonghua ，JIANG Jianwei（School of Environment and Architecture ，University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China ）Abstract ：Computational fluid dynamics （CFD ）has been widely utilized in the study of water treatment reactors．This paper firstly reviewed the application status of CFD in the study on solid －liquid separation reactors ，biological treatment reactors and chemical treatment reactors ，and then pointed out the weakness of CFD application in modeling reactors．This paper finally put forward some important issues for further usage of CFD in simulating water treatment reactors．Key words ：computational fluid dynamics ；water treatment ；reactor ；numerical simulation0引言计算流体动力学（computational fluid dynamics ，简称CFD ）是流体力学的一个重要分支，其通过数值求解流体运动（单相流动或多相流动）控制方程来获取流场的基本信息。
水处理反应器
带入
反应热 累积
带出
传给环境
反应器
反应单元
带入量
0 √ √ √
带出量
0 √ √ √
反应热
√ √ √ √
累积量
√ 0 0 √
间歇式 平推流(稳态)
整个反应器 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器 非稳态
反应器设计的基本方程
第一节 流动模型概述
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。
第一节 流动模型概述
• 全混流反应器
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连 续 搅 拌 槽 式 反 应 器 或 理 想 混 合 反 应 器
This reactor essentially comprises a tank equipped with a stirring system, a feed pipe and a withdrawal pipe. It is assumed that, at any point of such a unit, the intensive variables, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal to remove the reaction mixture containing the reaction products.
二. 基本公式：
计算流体力学在ABR反应器中的应用
科技创 新 与应 用 Ｉ ２ ０ １ ３ 年 第３ １ 期
应 用 科 技
计算流体力学在 Ａ Ｂ Ｒ反应器 中的应用
孙 浩鹏 李 杨
（ １ 、 长春工程学院 计算机技 术与工程 学院， 吉林 长春 １ ３ ０ ０ １ ２ ２ 、 长春 建筑学院 科研处 ， 吉林 长春 １ ３ ０ ６ ９ ９ ）
液一 液界面。
数 较 密 的区域 精 度就 会更 高 。 ３流体力学在 Ａ Ｂ Ｒ反应器的流动模型 当立体网格确定后 ， 选用已有 的算法来解运动方程 。如果考虑 反 应 器 内 的清 水 单 相 运 行情 况 ， 就选 择 欧 拉 方 程 ， 如 果 考 虑 污 泥 和 清 水 混 合后 的两 相 运 行 情况 ［ ３ １ ， 可 以选 纳 维 一 斯托克斯方程（ Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ） 。 由于 Ａ Ｂ Ｒ反应 器 中泥水 物 的 水力 学流 态 最 为 重 要， 并 考虑 了流体 环 流 速度 在 垂直 方 向上 的变 化 。如 果 想 获得 二 维 的速度场、 压力场和剪应力场 ， 那么就必须 利用粘性流体运动 的基 本方程， 这 是 一个 复 杂 的二 阶非 线性 偏 微分 方 程 ， 运 算 很 复杂 ， 而且 也 未 必 能 比 简 单 的一 维 速 度 场 等 更 准 确 ［ ４ １ 。 目前 广 泛 应 用 的 是 Ｌ ａ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ 和Ｓ ｐ ａ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ 提出的标准 ｋ 一 ￡ 模型 ，这种模型是 目前带有液 态 反 应器 流 场模 拟 中应 用 最广 泛 的涡 粘性 湍 流模 型 。 它 的组 成包 括 两个部分 ： 湍流动能 ｋ 、 湍流耗散率 ｓ的传输方程［ ５ １ 。为了提高标准 ｋ － ｅ模 型 的性 能 ， Ｃ ｈ ｅ ｎ — Ｋ ｉ ｍ ｋ 一 ８ 模 型 引入 ＿ 个 附加 的 时 间尺 度 ｆ ｌ 【 ／ Ｐ ｋ ） ， 模拟 Ａ Ｂ Ｒ反应器的平均流和湍流 。Ａ Ｂ Ｒ反应器 中泥水混合和 气体作为被模拟流体 ，密度采用 （ ｋ ｇ ・ ｍ ｐ ＝ １ ． １ ５ ｘ １ ０ 。 ）和黏度 （ ＝ ０ ． ０ ２ ６ Ｎ ｍ － ２ ） 参数 由实验测定得到。 反应器的人口条件设定为固定 流量 ， 边界 紊 流条 件 设定 为 低紊 流 强度 （ １ ％） 。折 流板 和反 应 器 壁设 定为墙体边界条件。 经过测试 ， Ｃ ｈ ｅ ｎ — Ｋ ｉ ｍ ｋ － ｅ模型优化后在反应器 的入 口和 出口处明显优于标准 ｋ － ｅ 模型。对 比数据参见表 １
电子束辐照水处理反应器的CFD模拟与优化
电子束辐照水处理反应器的CFD模拟与优化丁瑞;茅泽育;王建龙【摘要】The EB reactor (electron beam water treatment reactor) in the form of nozzle jet with relatively large treatment capacity is selected as the research object in this paper. By means of the computational fluid dynamic (CFD) method, both the hydrodynamic behavior and the influence of the EB reactor configuration on the flow velocity uniformity at the reactor outlet are studied, in order to achieve even distribution of flow velocity at the reactor outlet. The results are therefore used to optimize the configuration of the reactor. The study results for the primary EB reactor indicates that there are mainly three key configuration parameters affecting the hydrodynamic behavior of the reactor, including the diameter the reactor inlet, length of the horizontal contraction part and pattern of the bending part. The larger the reactor inlet diameter is and the longer the length of the horizontal contraction part is, the more uniform the velocity distribution of the reactor outlet will be. The optimal reactor configuration parameters are determined as follows: the dimeter of the reactor inlet is 0.2m, the length of the horizontal contraction part is 0.45m, and the configuration of the bending part should fit the flow velocity direction. The numerical simulation results indicate that the hydrodynamic conditions of the optimal reactor are greatly improved, and the flow velocity of the reactor outlet is evenly distributed. Physical model experiment verified the simulation results.%以处理量较大的射流式电子束辐照水处理反应器为例,运用计算流体力学方法,以反应器出口水流流速分布均匀为目标,对反应器内部水流的水动力特性及反应器构型对出口水流流速分布均匀性的影响进行了研究,并据此优化反应器的构型.研究结果表明,影响反应器水动力特性的关键构型参数为反应器进口管径、反应器水平收缩段长度和反应器弯曲段构型.反应器进口管道直径越大、水平收缩段长度越大,则反应器出口水流流速分布越均匀.最终确定最优反应器的构型参数为:进口管径0.2m,水平收缩段长度0.45m,反应器弯曲段构型贴合水流运动方向.计算结果表明,最优反应器的水动力条件得到极大改善,反应器出口水流流速分布非常均匀.物理模型试验验证了最优反应器出口水流流速分布的均匀性.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2017(037)003【总页数】9页(P980-988)【关键词】电子束辐照水处理;反应器流体力学特性;计算流体力学;反应器优化;构型参数【作者】丁瑞;茅泽育;王建龙【作者单位】清华大学水利水电工程系,北京 ,100084;南京水利科学研究院,江苏南京 ,210029;清华大学水利水电工程系,北京 ,100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京, 100084【正文语种】中文【中图分类】X703近年来,电子束辐照技术在水处理领域已得到了发展与应用[1-2].电子束辐照处理污水的原理是:水体接受辐照的瞬间发生辐射水解反应,产生3种活性粒子(羟基自由基⋅OH、水合电子和氢自由基⋅H)与污水中的各种污染物发生物理、化学反应,从而达到净化污水的目的[3-4].电子束辐照水处理效率高,尤其适用于传统水处理方法难以去除的有机污染物的降解[5-6].目前国内外对运用电离辐射技术处理不同类型污水的生物和化学效应,已有深入的研究[7-9],而对电子束辐照水处理反应器流体力学特性的研究较为薄弱[10].流体是水处理反应器中物质和能量传递的主要载体,反应器内的流动特性直接影响和制约反应器的处理效率[11-12].电子束下水流的水动力特性直接决定了水流吸收剂量分布的均匀性,从而决定了电子束辐照水处理的效率.目前对电子束辐照水处理反应器的研究主要采用试验方法简单测量水流的平均流速与厚度[13-25],忽略了水流细部的水动力特性,缺乏系统的对反应器流体力学特性的研究,从而影响和制约了电子束辐照水处理的效率.运用计算流体力学方法可以较为准确和方便的获取水流细部的水动力特性,计算流体力学在氧化沟、流化床、紫外灯消毒等水处理反应器研究与优化方面已得到了广泛应用[26-29].然而,在电子束辐照水处理反应器领域,至今没有相关研究.根据水流流动方式的不同,可将电子束辐照水处理反应器分为瀑布式[15-16]、喷雾式[17-18]、上流式[19-20]、射流式[21-24]和折流式[25]反应器五种类型.根据电子束穿透深度小、扫描宽度大的特点,电子束下水流应是宽度大的薄层水流[15].为使水流吸收剂量分布均匀,水流在电子束下的停留时间应均匀分布,即电子束下薄层水流的厚度与流速应均匀分布.射流式反应器处理量较大,水平射出的水流相对比较容易形成厚度与流速均匀分布的薄层水流,其形态取决于反应器内部水流的水动力特性及反应器本身的构型.本文采用计算流体力学的方法建立三维水动力学模型,研究射流式反应器内部水流的水动力特性,以反应器出口水流流速分布均匀为目标对反应器构型进行优化.1.1 数值模拟反应器的构型反应器出口应为狭长矩形,以形成宽度大、流速与厚度均匀分布的薄层水流;反应器进口应为圆形管道,以方便与进口管道对接.因此,水流从反应器进口到出口,需经历扩散和收缩的过程.过流断面增大引起的水流扩散,容易导致水流流速分布不均匀;而过流断面减小引起的水流收缩,使得流速分布相对均匀;因此反应器应先将进口管道断面扩大,然后平滑且缓慢的收缩断面直到形成狭长矩形截面的出口.由于重力的作用,水流经反应器由下往上流动,容易形成流速较小、紊动强度较弱且更稳定的水流.此外,反应器的过流断面应避免突然的变化.基于以上流体力学的基本原理,与至今对射流式反应器的研究[21-24],确定反应器的初步构型如图1所示.为满足电子束穿透深度和扫描宽度的要求,反应器出口设计厚度 H = 4mm,出口宽度 B = 1.5m,反应器出口水流的设计流速V = 4m/s.确定初始反应器进口管道直径d = 0.12m.1.2 控制方程反应器内部水流运动过程中不可压缩,其流动可用不可压缩的连续方程和动量方程描述:式中:ρ为流体密度;u为流速;p为压强;f为质量力;ν为运动粘性系数.采用雷诺时均方法(RANS)求解控制方程,即将控制方程中的各物理量U用平均值和脉动值U′表示(即求解时均化的雷诺方程.在求解雷诺方程过程中,除了时均项,还产生了脉动流速的相关项又称为雷诺应力.为了求解雷诺应力项以封闭方程组,采用紊流模型:式中:为紊动动能,为紊动耗散率,为紊动粘度,为由平均速度梯度引起的压力生成项,模型中相关常数取值为1.3 边界条件为了求解以上封闭的方程组,需要给出合适的边界条件.反应器壁面采用无滑移壁面边界条件;反应器管道进口采用流速进口边界条件,即给定进口的平均流速,进口流速由设计流量和进口断面面积计算得出;出口边界条件设为压强出口,由于水流经反应器出口直接射入空气中,出口压强设为标准大气压.1.4 数值离散方法采用有限体积法离散控制方程,即将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,并使每个网格节点周围都有一个控制体积,将待解的微分方程对每一个控制体积积分,便得出一组离散方程.采用SIMPLE算法求解离散形式的控制方程.为提高计算精度,动量方程、k方程和ε方程都采用二阶迎风格式.1.5 网格划分反应器结构复杂、且形状不规则,因此应主要采用四面体结构网格.反应器进口管道段①、竖直扩散段②和弯曲段③采用四面体结构网格;反应器水平出口段⑤为规则六面体,采用六面体结构网格;反应器水平收缩段④的Y方向尺寸变化较大,应采用网格尺寸渐变的四面体结构网格.为确定网格划分是否足够精细以获得精确的计算结果,需要对网格数量进行独立性分析.本文主要研究反应器出口水流流速分布的均匀性,因此选择反应器出口水流沿X方向的最大流速uXmax进行收敛性分析,计算结果如图2所示.本文认为采用两个不同网格数量的反应器模型计算结果相对误差e小于0.1%时,即达到收敛,相对误差e定义为:从图2可以看出,当初始反应器网格划分数量 Ne达到或超过 204万时,数值计算结果收敛.在本文所有的数值计算中,均对不同反应器网格划分情况进行了网格独立性分析.2.1 初始反应器数值计算结果及分析选取垂直于X、Y和Z方向的3个截面(A、C和B)来描述反应器内部水流的三维流场,3个截面的位置如图3所示,计算得出反应器内部流线如图4所示,截面A和C 的流速矢量如图5和图6所示.对于初始反应器,水流在反应器垂直部分沿X方向扩散;当水流从垂直部分流动到靠近出口的水平段时,部分水流回流,如图5所示,这容易引起反应器出口水流流速分布不均匀.水流回流主要是因为反应器弯曲段③的曲率太大,使水流运动方向不贴合反应器内壁.在反应器水平部分,如图6所示,水流沿X方向继续扩散,靠近反应器出口时,水流沿X方向仍有流速分量,即反应器出口水流流速分布不均匀,这主要是因为水流在反应器水平收缩段④的扩散不够充分.2.2 反应器构型对水动力特性的影响分析通过以上对初始反应器内部流场的分析,可以得出反应器出口水流流速分布不均匀的可能原因主要为:(1)反应器进口管道直径较小、水流流速较大,不利于水流扩散,导致水流未充分扩散就从反应器出口射出;(2)反应器水平收缩段④的长度L较小,导致水流沿宽度(X)方向扩散不够充分就射出反应器;(3)反应器弯曲段构型设计不合理,即弯曲段③的构型与水流运动方向不贴合,导致水流在弯曲段后方出现回流,不利于在反应器出口处形成流速分布均匀的水流.为方便对以上3种原因进行分析,可将以上3种原因分布概化为3个参数:(1)反应器进口管道直径d;(2)反应器水平收缩段④的长度L;(3)反应器弯曲段构型是否改善,即反应器构型是否与水流流速方向一致.为确定以上各参数对反应器内部水流水动力特性与反应器出口水流均匀性的影响,确定25种计算工况,选取其中 9种典型计算工况如表 1所示,其中计算工况1为初始反应器.反应器出口水流不均匀主要是由于水流有X和Y方向的流速分量(反应器出口水流沿 Z方向),因此用反应器出口X和Y方向最大流速反映出口水流的不均匀性,各工况的计算结果如表1所示.由表1可见,反应器出口水流沿X方向有一定流速,沿Y方向的流速很小,可以忽略Y方向的流速,即反应器出口水流流速分布的不均匀主要体现在水流沿 X(方向有一定的流速分量.因此,本文用maxXu V表示反应器出口水流的不均匀程度,其中maxXu 为反应器出口水流沿宽度 X方向的最大流速,V为反应器出口的设计流速,等于出口平均流速;maxXu V越小,反应器出口水流流速分布越均匀.2.2.1 进口管径对出口水流均匀性的影响根据表1各工况的计算结果,可以得出反应器进口管径d对出口水流流速分布均匀性(uXmaxV)的影响如图7所示.从图7可以看出,反应器进口管径d越小,反应器出口水流流速分布越不均匀.当反应器进口管径较大时(d = 0.2m),出口水流沿宽度 X方向的最大流速 uXmax=0.02V,可以忽略水流沿宽度X方向的流动,水流流速分布均匀.引起图7曲线的可能原因为:反应器进口管径d越大、流速越小,反应器在竖直段②的扩散程度越大,则反应器出口水流均匀性越好.为探究反应器进口管径d对竖直段②扩散程度的影响,用水流扩散角θ表示表示水流沿竖直扩散段的扩散效果,如图8所示.其中,L1表示水流进入竖直段②的宽度,L2表示水流在竖直段扩散后的宽度,h1表示扩散段的长度,如图8所示.水流扩散角θ可以表示为:根据式(6),计算得出竖直段扩散角θ随进口管径d的关系如图9所示.从图9可以看出,进口管径d越大,竖直段扩散角θ越大,即扩散效果越好.进口管径d≥ 0.16m 时,扩散角θ变化幅度较小;d ＜ 0.16m 时,扩散角θ变化幅度较大.因此,最终选择反应器进口管径d = 0.2m,对应进口流速u0= 0.76m s .2.2.2 水平收缩段长度对出口水流均匀性的影响根据表1各工况的计算结果,可以得出反应器水平收缩段长度 L对出口水流均匀性的影响如图10所示.从图10可以看出,反应器水平收缩段长度L越大, uXmax越小,即反应器出口水流均匀性越好.当反应器水平收缩段长度L = 0.6m时,反应器出口水流均匀性较好;当反应器进口管径d = 0.2m时,水平收缩段长度 L对出口水流均匀性的影响较小.当L/ B= 0.3,即L = 0.45m时,对应 uXmax=0.01V;即d = 0.2m、L = 0.45m条件下即可使反应器出口水流流速分布均匀.因此,选择反应器水平收缩段长度L = 0.45m,反应器进口管径d = 0.2m.2.2.3 弯曲段构型改善对出口水流均匀性的影响对于初始反应器,弯曲段③的构型不贴合水流的流速方向,水流在弯曲段后方出现回流,不利于反应器在出口形成流速分布均匀的水流.反应器弯曲段构型应与水流的运动方向一致.以计算工况8(d = 0.2m、L = 0.45m)为例,说明弯曲段构型改善的过程与结果.从图 11可以看出,反应器弯曲段构型改善后,水流流动方向贴合反应器内壁,避免了水流回流,减小了水流运动阻力.9种典型计算工况弯曲段构型改善对出口水流流速分布均匀性的影响如表 1所示.从表 1可以看出,反应器弯曲段构型改善后,出口水流沿X方向和Y方向的最大流速有所减小,但减小的幅度很小,即反应器弯曲段构型改善对出口水流均匀性影响较小,起到稍微改善的作用.此外,反应器弯曲段构型改善也优化了反应器内部水流流场,避免了水流回流,在反应器优化方面应采用该弯曲段构型的改善.3.1 最优反应器的水动力特性基于上述反应器构型参数对反应器内部水动力特性及出口水流均匀性的影响分析,确定优化反应器构型参数为:d = 0.2m,L = 0.45m,弯曲段构型改善.在此基础上,把反应器竖直段②的侧壁做成抛物线状,以改善水流在垂直部分的流场,从而得到最优反应器,最优反应器外形及反应器内部流线如图12所示.最优反应器几何构型的主要参数为:进口管道①的直径为 0.2m;竖直扩散段②的高度为0.5m,侧壁为抛物线;弯曲段③贴合水流流速方向;水平收缩段④的长度为0.45m,水平出口段⑤的长度为0.06m,宽度为1.5m.最优反应器的主要动力学参数为:反应器进口流速为0.76m/s,反应器出口流速为4m/s.最优反应器截面A的流速矢量图如图11(b)所示,从图 11(b)可以看出,水流在反应器弯曲段的流动与反应器内壁贴合.从图 13可以看出,水流在垂直部分扩散的效果较好;水流在水平收缩段④沿X方向继续扩散,靠近反应器出口时水流垂直出流,水流流速沿宽度方向(X方向)均匀分布.通过对初始反应器与最优反应器的流线与流场进行对比,可以看出最终优化反应器内部的水动力条件得到了极大的改善.3.2 最优反应器水动力特性的试验验证为验证反应器水动力模型数值计算结果的正确性,需运用试验的方法测量最优反应器射出水流流速与厚度分布的均匀性,并与数值计算结果进行对比和验证.对最优优化反应器进行制造加工,采用雷达波测量反应器射出水流的流速,其测速原理是利用雷达波的多普勒效应,可表达为:其中,c为雷达波在空气中的传播速度;f为雷达发射波频率;df为雷达发射波与雷达回波(频率为之间的多普勒频差α为雷达发射波入射流体液面的角度.采用水位测针测量反应器射出水流的厚度.测量水流厚度的步骤主要为:(1)在射出水流的上下方分别布置两枚水位测针;(2)当两枚水位测针的针尖彼此接触时,记录水位测针的读数为测针零点,分别为A1和B1;(3)调整测针使上下两枚测针分别接触水流的上下表面,记录此时测针读数分别为 A2和 B2;(4)测试点水流厚度可表示为试验测量得出反应器射出水流流速与厚度沿宽度(X)方向的分布如图14所示.从图14可以看出,最优反应器射出水流的流速与厚度沿宽度方向(X方向)分布均匀,试验结果与数值计算结果吻合较好.4.1 影响反应器水动力特性的关键构型参数为:反应器进口管径d、反应器水平收缩段长度L和反应器弯曲段构型.反应器进口管径越大、反应器水平收缩段长度越大,则反应器出口水流流速分布均匀性越好;反应器弯曲段构型贴合水流运动方向改善了出口水流流速分布的均匀性.4.2 最终确定最优反应器的构型参数为:进口管径d = 0.2m,水平收缩段长度L = 0.45m,反应器弯曲段构型贴合水流运动方向.数值计算结果表明,最优反应器的水动力条件得到极大改善,反应器出口水流流速分布非常均匀.4.3 采用雷达波和水位测针测量最优反应器射出水流的流速与厚度分布,试验结果表明反应器射出水流的流速与厚度分布均匀,从而验证了数值计算结果的正确性.【相关文献】[1] 刘秀华,雷家荣,杨宇川,等.辐射技术在废水处理中的应用 [J].化工进展, 2010,29(5):938-943.[2] IAEA. Radiation Treatment of Polluted Water and Wastewater [C]//IAEA, VIENNA, 2008. IAEA-TECDOC-1598, ISSN 1011–4289.[3] Wang J, Wang J. Application of radiation technology to sewage sludge processing: a review [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007,143(1/2):2–7.[4] Jan S, Kamili A N, Parween T, et al. Feasibility of radiation technology for wastewater treatment [J]. Desalination and Water Treatment, 2015,55(8):2053-2068.[5] 吴明红,刘宁,徐刚,等.辐射技术在环境保护中的应用 [J].化学进展, 2011,23(7):1547-1557.[6] Wang J, Chu L. Irradiation treatment of pharmaceutical and personal care products (PPCPs) in water and wastewater: An overview [J]. Radiation Physics and Chemistry, 2016,125:56-64.[7] Ding R, Mao Z Y, Wang J L. Synergistic effects of 4-nitrophenol degradation using gamma irradiation combined with an advanced oxidation process [J]. 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基于计算流体力学的污水处理优化设计
基于计算流体力学的污水处理优化设计污水处理是保护环境、维护人类健康的一项重要任务。
随着科技的不断发展，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的污水处理优化设计成为一种有效的方法。
本文将围绕这一主题展开讨论。
首先，我们需要了解什么是计算流体力学（CFD）。
计算流体力学是一种数值模拟技术，用于研究流体流动、传热和质量传递等问题。
在污水处理中，CFD可以模拟废水在处理设备中的流动、混合、挥发和沉降等过程，帮助优化设计和改善处理效果。
在污水处理的优化设计中，CFD可以用于模拟和优化不同处理设备的性能。
例如，在生物滤池的设计中，CFD可用于优化填料的形状、尺寸和布置，以提高废水与生物膜的接触效果，并减少压力损失。
此外，CFD还可以模拟搅拌池、沉淀池、曝气池等设备中的流动特性，帮助设计人员减少能耗和提高处理效率。
另外，CFD还可以用于污水处理过程中的气体传输研究。
例如，在曝气池中，通过CFD模拟可以确定合理的曝气器布置和曝气速率，以确保废水中的溶解氧达到需求水平。
此外，通过CFD模拟还可以研究气体在填料层中的分布和传递，从而优化填料的设计和运行参数，提高气体传递效率。
除了设备的优化设计，CFD还可以应用于处理系统的整体优化。
一个典型的例子是污水处理厂的可持续运营。
通过CFD模拟，可以确定污水处理厂内部的流动特性、理化反应和微生物降解等过程，从而优化处理工艺、减少气味排放和能源消耗。
此外，CFD还可以帮助优化处理系统的控制策略，实现自动化和智能化运行。
尽管CFD在污水处理优化设计中具有重要的应用前景，但也存在一些挑战。
首先，CFD模拟需要准确的模型和参数输入，以确保模拟结果的可靠性和准确性。
其次，CFD模拟计算量大，需要高性能计算机和专业软件的支持。
此外，CFD模拟结果的解释和应用需要专业技术和经验的支持。
综上所述，基于计算流体力学的污水处理优化设计是一种有潜力的方法，可以提高处理系统的效率、降低能耗和减少环境污染。
反应器设计中的流体动力学分析
反应器设计中的流体动力学分析在化学工程和相关领域中，反应器的设计是至关重要的环节。
而流体动力学分析在这一过程中扮演着举足轻重的角色，它对于确保反应器的高效运行、优化反应条件以及提高产品质量和产量都具有不可替代的作用。
要理解反应器设计中的流体动力学，首先得明确什么是流体动力学。
简单来说，流体动力学就是研究流体（包括液体和气体）在各种条件下的流动行为和规律的科学。
在反应器中，流体的流动特性会直接影响到反应物的混合、传热、传质等过程，从而对反应的速率、选择性和转化率产生深远的影响。
以常见的搅拌式反应器为例，流体在搅拌桨的作用下形成复杂的流动模式。
如果搅拌桨的设计不合理，就可能导致流体的流动不均匀，出现死区或者短路现象。
死区是指流体流动缓慢甚至几乎停滞的区域，在这些区域，反应物无法充分混合，反应效率低下；而短路则是指流体未经充分反应就快速流出反应器，同样会降低反应的转化率。
通过流体动力学分析，可以预测这些不良流动现象的出现位置和程度，并据此优化搅拌桨的形状、尺寸、转速等参数，以实现更均匀、更高效的流体混合。
另一种常见的反应器类型是管式反应器。
在管式反应器中，流体沿着管道流动，其流动状态通常可以分为层流和湍流。
层流时，流体的流动层次分明，速度分布呈抛物线形；而湍流时，流体的速度和压力等参数呈现出随机的脉动和混合。
在设计管式反应器时，需要根据反应的特点和要求来选择合适的流动状态。
例如，对于一些快速反应，通常希望流体处于湍流状态，以促进反应物的快速混合和传热。
流体动力学分析可以帮助确定达到所需流动状态所需的管径、管长、流速等条件，以及评估可能出现的压降和能量损失。
在进行流体动力学分析时，数学模型的建立是关键的一步。
常见的模型包括连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理。
然而，由于实际反应器中的流动情况非常复杂，这些基本方程往往需要进行简化和假设才能求解。
例如，对于低雷诺数的流动，可以忽略惯性力的影响；对于等温反应，可以不考虑能量方程。
电极的布置形式对电絮凝处理性能影响的研究
０ 引 言 电 絮 凝 法 由 于 设 计 灵 活 、运 行 管 理 方 便 、处 理 效
第４６卷 增刊２０２０年
给水排水
ＷＡＴＥＲ ＆ ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．４６ 增刊２０２０
电极的布置形式对电絮凝处理性能影响的研究
邸振华 周 律 白 昱 马可可 曹 智 张泽瀚
（清 华 大 学 环 境 学 院 ，北 京 １０００８４）
摘 要 采 用 计 算 流 体 力 学 （ＣＦＤ）技 术 ，从 流 场 以 及 紊 流 动 能 等 方 面 分 析 了 不 同 电 极 的 布 置 形 式
位置中心的距离为 Ｄ，各片电极开孔情况见表１。
度云图是描述某 一 瞬 间 流 体 速 度 大 小 的 图，对 电 絮 凝反应器来说，良 好 的 流 态 需 要 极 板 间 具 有 较 大 的 扰动和回流，来 提 升 极 板 间 的 传 质 效 果。 由 图 ４ 可 知，计算到稳定后，工况１的大部分流体只是 通过 反 应器底部到达出口；与工况１相比，工况３的 流 线 密 度更大，证明工况３的极板间隙流速变化迅速，具 有 更大的扰动，有 助 于 胶 体 络 合 物 的 形 成 和 絮 凝 反 应 的发生；工况２ 的 流 体 在 极 板 区 域 因 为 开 孔 方 式 的 问题，只是穿过 开 孔 汇 集 到 出 水 口，较 少 形 成 回 流。 由图５可知，工况１在极板间的流速变化较小，形 成 的扰动较少。工况２和工况３在极板间存在着速度 的变化，可能引起扰动。可以看出，开孔可以 增 加 电 絮凝反应器极板 间 的 流 速 变 化，工 况 ３ 的 开 孔 方 式 可以使流体在电极之间形成回流加速扰动。因此， 工况３有较好的流场分布，利用穿孔的扰流作 用，可 以明显地改善流场。
流体运动学上计算流体力学PPT课件
层流（laminar flow）：流速 较低，红墨水迹线平稳。水质 点沿轴向分层平稳流动。
不稳定流动：红墨水迹线波动。 水质点不稳定，有轴向和垂向 的分速度。
湍流(turbulent flow)：流速超 过某值时，红墨水迹线破裂。 各层流体质点相互掺混，出现 不规则、随机脉动速度。
laminar
实验表明：粘性流动存在两种
vr va,b,c,t
ta,b,c
加速度：
av aa,b,c,t
ta,b,c .
7
3.2.2 Euler法
基本思想：考察空间每一点上的物理量及其变化。 所谓空间一点上的物理量是指占据该空间点的流体质点的物理量。
独立变量：空间点坐标 (q1,q2,q3)
vv(q1,q，2,q3,t) p ，p(q1,q2,q3,t) (q1,q2,q3,t)
流体质点和空间点是二个完全不同的概念。
3.2.3 质点导数
——流体质点的物理量对时间的变化率。
Lagrange法： 若 B a ,b ,c ,t v (a ,b ,c ,t)
v(a,b,c,t)a(a,b,c,t) （质点加速度）
t
.
8
Euler法：
时t刻位于空间点 M的(r流)
体质点经 时间后t 物理量
h 11 ,h 2R ,h 3R sin
D Dt tvR RvR Rsvin.
aR a a
Dv R Dt Dv Dt Dv
Dt
v2 R v v R R vR v
R
v2
R v2 ctg
R v v ctg
R
11
3.3 流体运动的描述
1. 定常、非定常流动（steady and unsteady flow)
计算流体力学在ABR反应器中的应用
计算流体力学在ABR反应器中的应用作者：孙浩鹏李杨来源：《科技创新与应用》2013年第31期摘要：利用流体力学技术是污水处理反应器研究的一个重要发展方向，其中ABR反应器是厌氧反应器中的常见反应器。
通过分析ABR反应器，运用流体力学技术，测试不同的网格划分密度和流动模型，将ABR反应器的水力学特性与上升流态用计算机展现出来，在确定反应器结构尺寸和操作参数上进行水力学行为预测。
关键词：计算流体力学；ABR反应器；应用引言计算流体力学（CFD）是以离散数学的思维方式，在计算机上使用离散数值方法，设定控制方程并进行求解，计算和预测连续动态流体的技术，是本世纪流体力学领域的重点发展方向之一。
在污水处理工程中，任何反应器都需要通过实验的方法来确定反应器的最佳流态，采用CFD技术，开展ABR处理废水的水力学特性研究，为工业企业水污染防治和管理的实际工程应用提供崭新的应用基础研究理论依据与技术平台。
下面将针对ABR反应器，包括清水单相及泥水混合液（生物气、液、固）三相的情况，在生态因子不同的条件下，模拟和比较ABR 内部的水力学特性，从而对ABR处理废水的水力学特性和生态因子耦合机制的进行整合优化，其目的是在工业生产中达到最佳效能。
1 流体力学在ABR反应器中的应用现状CFD 的应用已遍及各个与流动相关的行业和领域，但在水处理领域的应用起步较晚。
模拟生化处理构筑物既要考虑流态，又要考虑生化反应过程。
所以对于生化处理构筑物的模拟，主要分为两个层面：①对于生化反应过程的模拟，主要采用数学模型；②对于物理过程的模拟，主要采用流体力学模型。
严格意义上来讲，CFD 模型更偏向于模拟物理过程，但是也可以和生化反应过程有机结合起来。
国外的研究主要将生化反应数学模型和 CFD 模型相结合，针对生化反应的机理建立基于水流流动、传质过程及环境影响等方面的模型，模拟的目标多为考察生化指标的分布和去除[1]；国内的研究主要是从构筑物内部的水力特性出发，考察池内流场、污泥分布等，或通过改变构筑物结构、运行条件，提出设计、运行的优化方案。
水处理反应器理论
V Qt 故 因，
（3—46）
1 C0 t ( 1) k Ci
（3—47）
3.2.4 推流型反应器 现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：
dCi wdx w v C i w v(C i dC i ) r (C i ) w dx dt
0
坡度
k /2.303
图3－4 求一级反应的速率常数 一级反应的反应物的半衰期可按 3-5求得。
lgcA
o
100
kt 1 cA 1 e 2 c A0 2
cA /%
0
(3－21)
50
t1
2
In 2 0.693 k k
25 12.5 0
t1/2
t1/2
t1/2
图3－5 一级反应的半衰期
半衰期: 应：c
A0
x
1 c A0 2
t1
2
1 kcA0
x
3 3 c A0 t 1 kcA0 4 4
1 c A0 2
所需时间 所需时间
1 kcA0
1 1 c A0 c A0 2 4
2 kcA0
故二级反应,衰减越来越慢
3.1.5 平行反应
k1 A B k2 A C
dCi ， dt 0，则：
稳态时
dCi v r (C i ) dx
（3—48）
x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得
ci dCi x t v c o r (C ) i
（3—49）
3.4非理想反应器
3.4.1 一般概念 PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假 想的流型。图3—9表示两种理想反应器自进口 端至出口端的浓度分布。 PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行 反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。 而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反 CSTR型反应器生产能力低于PF型。 CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不 同的物料之间混合。