可渗透反应墙墙体内流速及流态数值模拟_汪强

１ ９ ８ ０ ４． ２ １ ２ ９ ７ １． １ ９ ７ ５ ５． ４ １ ０ ８ ７ １． １ ９ ６ ０ ４． ４ １ １ ５ ７ １． － －
－ － －
１ ０ － １． １ １ ７ １ ４×１ ０ １．
３ Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件构建可渗透反应墙及模拟计算与分析
３． １ Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件构建可渗透反应墙 虽然根据前期基础实验数据分析得出了部分参数 ， 但是试验发现柱体壁流现象比较明显 ， 不能真实地 反应 Ｐ 我们又重新设计组装实验室模拟试验的矩形 Ｐ 槽体尺寸为 １ Ｒ Ｂ 内部的流态情况 ． Ｒ Ｂ 槽， ２ ０×３ ０× 进出水均采用蠕动泵 ， 槽体中间装填有长度为 １ ２ ５ｃ ｍ， ０ ０ｃ ｍ 的陶粒介质段 ． 将实验装置简化为二 维 图 （ 见 图 ２） 来观察 Ｐ 边 界 条 件： 速度进口（ Ｒ Ｂ 内 流 态 模 拟 状 况． ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｉ ｎ － － ｙ ） ， ） ） 出口为 ｏ 内部单元区 域 采 用 流 体 （ 类 型， 其余四周采用壁面（ 类 型． 基本参数 ｌ ｅ ｔ ｕ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ 类型 ， ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｗ ａ ｌ ｌ ９ ２ ３ － － （ ／ ， ／ ， ， 部分参数取自上述实验 结 果 ） 如 下： ｖ ＝ １ｍｍ ｓ １ ７ ７ ×１ ０ ｍ ， Ｃ ０ Ｐ ａ·ｓ α ＝ ８． ２ ＝０ μ ＝１ ρ＝
ｖ Ｓ ｊ ｊ ｊ＋ ｉ ＝ μ ∑Ｄｉ ∑Ｃｉ
（
３
３
）
收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ８ １ １ － － ； 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目（ 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题基金资助项目 ５ １ ２ ７ ４ ０ ０ １） （ ） Ｓ Ｋ Ｌ Ｃ Ｒ Ｓ Ｍ １ ０ Ｋ Ｆ Ａ ０ ５ ， 作者简介 ： 汪 强（ 男， 安徽宣城人 ， 硕士研究生 ． １ ９ ８ ９ －） ， 通讯作者 ： 徐建平 （ 男， 安徽芜湖人 ， 教授 ， 硕导 ． １ ９ ５ ６ －）
第２ ９ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ４年９月 （ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ２ ４ ７ ７ ２ ０ １ ４ ０ ３ ０ ０ １ ２ ０ ５ － － －
安 徽 工 程 大 学 学 报 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｐ ｏ ｌ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｙ
］ １ ３ － 围岩中的有毒有害金属离子溶滤其中 ， 形成了酸性矿井 废 水 ［ 该含有多种有害金属离子的酸性矿井废 ．
水的排放 ， 将会导致严重的水体和土壤污染 ． 可渗透反应墙 （ 是 一 种 被 动 的 原 位 修 复 技 术， 根据美国环保局１ 污染物修复的 Ｐ Ｒ Ｂ） ９ ９ ８年发行的《 手册定义 ， 使污染羽状体通 Ｐ Ｒ Ｂ 技术 》 Ｐ Ｒ Ｂ 技术是指在地下水安装活性材料墙体以便拦截污染物羽状体 ， 过反应介质后 ， 其污染物能转化为环境接受的另一种形式 ， 从而实现使污染 物 浓 度 达 到 环 境 标 准 的 目 标 ． 本课题研究由透水的反应介质及固 载 硫 酸 盐 还 原 菌 组 成 的 新 型 Ｐ 将其置于酸性矿井 废 水 的 下 游， 当 Ｒ Ｂ， 酸性矿井废水通过 Ｐ 通过产生沉淀 、 吸附 、 氧化还 原 等 物 化 及 生 化 反 应 去 除 水 中 的 污 染 物 ， 从而得 Ｒ Ｂ 时，
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９． Ｎ ｏ ． ３ ， Ｓ ｅ ． ２ ０ １ ４ ｐ

可渗透反应墙墙体内流速及流态数值模拟
汪 强， 徐建平 ＊
（ ） 安徽工程大学 生物与化学工程学院 ， 安徽 芜湖 ２ ４ １ ０ ０ ０ 摘要 ： 为了对可渗透反应墙墙体内水流速度及流态进行理论研究与分析 ， 采用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软 件 对 可 渗 透 反 应 墙 墙 构建墙体介质为陶粒 ． 模拟仿真结果 表 明 ， 墙体内填充介质陶粒内部流速缓慢， 可以很好固 体进行模拟仿真 ， 定处理污染物的生物菌 ， 同时也表明 ， 该软件在微观环境下模拟可渗透反应墙内部流速及流态情况是可行的 ． ； 关 键 词： 可渗透反应墙 ； 数值模拟 ； 流速和流态 ； 陶粒 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 中图分类号 ： Ｘ ７ ０ ３． １ 文献标识码 ： Ａ
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安 徽 工 程 大 学 学 报
第２wenku.baidu.com９卷

图 ２ 简化二维图
图 ３ 速度等值线图
图 ４ 流函数图
（ 将若干堆积陶粒堆积的墙体简化为 ３ 层小球 ， ３ 层小球基本上可以反映出多层小球累积的多孔介质 ） ． ， 所研究液体为水 ， 为粘性 、 不可压 、 牛顿流体 ， 流动方向从左至右 ， 垂直于Ｙ－ 沿 Ｘ 方向 ） 层流 ， 定 Ｚ 面（ ／ ， 设定水流面初始速度为 １ｍｍ 流出面为自由流出 ． 基本参数取值同上二维模型 ． 常流动 ． ｓ （ 初始化后 ， 由软件模拟迭代 ２ 残差得到很好收敛 ， 得到以下结果 ： 剖面总图见图 ７， 左面为入口 ０ ０次， 面， 右面为出口面 ， 中间球状物为介质陶粒 ， 切面为剖面在水流区域位置 ）
［ ］ 而Ｆ 适用性最广 、 国内使用最广泛的 Ｃ 针对陶粒这一多孔介质 ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ是目前功能最全面 、 Ｆ Ｄ 软件之一 ５－６ ． ［］ 材料 ， 源项由 两 部 分 组 成 ， 一部分是粘性损失 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ定义的多孔介质的动量方程具有附加的动量源项 ７ ．
） ， 项（ 另一个是内部损失项 ： Ｄ ａ ｒ ｃ ｙ １ （ ） ｖ ｖ １ ｊ｜ ｊ ， ρ｜ ２ ｊ＝１ ｊ＝１ 其中 ， 动量源项 ， 的瞬时速度 ， Ｓ ｉ 向（ ｘ， ｖ ｘ， Ｄ 和Ｃ ｙ 或ｚ） ｊ 向（ ｙ 或ｚ） ｉ是 ｊ 是 ρ 为流体密度 ， μ 是流体粘度 ， 是规定的矩阵 ． 在多孔介 质 单元 中， 动 量损 失 对于 压 力梯 度有 贡 献， 压降和流体速度（ 或 速 度 方 阵 ）成 比 ／ 例． 对于简单的均匀多孔介质 ， 简单的指定 Ｄ 和Ｃ 分别为对角阵 １ 其他项为 ０， 得 α 和Ｃ２ ，
３ ３ － ／ ， １ ０ ｋ ｍ ｎ ＝ ０． ３ ０ ５． ｇ －４ ５ ６， ８］ － ， 求解设置 ： 选用基于压力的二维定常解算器 ， 残差在迭代 １ 认为计算收敛 ［ ０ ０ 次后小于 １ ０ ．
从Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ模拟实验室自组装可渗透反应墙墙体内流场可以看出 ： ① 水流在流入多孔介质时受到介质 ） ， 阻力 （ 见图 ３ 流速降低至入水口流速的 ６． 流体流 经 介 质 时 低 流 速 下 基 本 保 持 ６ ７％ ； ② 在该实验装置下 ， 层流状态 ， 中间流量较大 ， 边界存在壁流粘 滞 阻 力 影 响 ， 流 速 较 慢， 流量较小（ 见 图 ４， 注： 流函数是单位时 ， 间流体通过介质的流量 ） 反应墙介质内中间流量与边界流量相差约 ６ 倍 ； ③流体在未流入介质之前由于 介质阻力产生了一定涡流现象 （ 见图 ５， 注： 中间线为对称轴 ） ． 模拟后发现基于 Ｆ 不能对多孔介质材料内部流态进行可视 ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ自定义多孔介质只能进行动量转化 ， 化模拟与水流速度数值计算 ， 必须采用三维模拟方式 ． ３． ２ 三维情况下模拟水流区域 鉴于在二维构建平面陶粒时 ， 陶粒与陶粒间不能紧密相连 ， 水流速度在该区域模拟运算不符合实际三 维流动情况 ， 故改用在三维视角下模拟水流区域 ． ， 首先运用 ＧＡＭＢ 见 图 ６） 将水流区域简化为为３ Ｉ Ｔ 网格化定义三维试 验 区 域 （ ０×２ ０×２ ０ｍｍ 的 矩 体， 矩体内小球直径为 ５ｍｍ， 从左至右第 １ 层有 ４×４ 个小球 ， 第 ２ 层 ３×３ 个 小 球 ， 第 ３ 层 ４×４ 个 小 球
［ ］ ５ ６ － 该方法即是计算流体力学 （ 该法的优点在于 数 值 模 拟 可 以 形 象 地 再 现 流 动 情 景 ， 没有具体实验 Ｃ Ｆ Ｄ） ．
带来的经费投入 、 人力和物力的巨大消耗及周期长等许多困难 ． 因此 ， 要研究 可 渗 透 反 应 墙 墙 体 内 流 体 运 动规律可以采用该方法 ． 、 近年来 ， 计算流体力学 （ 发 展 很 快， 有 许 多 比 较 成 熟 的 商 业 软 件 包， 如Ｆ Ｃ Ｆ Ｄ） ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ Ｃ Ｆ Ｘ、 Ｓ ｔ ａ ｒ Ｃ Ｄ 等．
（
）
即惯性阻力系数 ， 在地下水低流速下定义水流状态为层流 ， 通过多孔介质的层流流动中 ， 压降 部阻力因子 ， 和速度成比例 ， 惯性阻力系数 Ｃ ． ２ 设为 ０
２ 实验室构建简化可渗透反应墙及试验结果
采用柱体实验 ， 实验 装 置 图 如 图 １ 所 示 ． 柱体直径为１ 充填平均粒径 ６ｃ ｍ， 有效高度 Δ 运用排水法实验数据及计算如 ５ｍｍ 的陶粒 ， ｈ ＝８ ６ｃ ｍ， Ｌ ＝６ ６ｃ ｍ． 、 ， 表 １ 表 ２ 所示 计算得出小球构成 的 柱 体 总 孔 隙 度 Ｖ 加 水 饱 和／ 给水 Ｖ 干 试 样 ＝ ０． ４ ４， 度Ｓ 由于给水度与总孔隙度计算的值 有 差 异 ， 说明陶粒 Ｖ 加 水 ＝ ０． ３ ０ ５． ｙ ＝ Ｖ 排 水／ 小球有不连 通 的 孔 隙 ， 而 有 效 孔 隙 度 值ｎ 应 在 总 孔 隙 度 和 给 水 度 之 间， 这里取 即 ｎ ＝ ０． 又由于该可渗透反应墙设计水力停留时间为 ｎ ＝ 给水度值 Ｓ ３ ０ ５． ｙ，
４］ 到清洁地下水 ［ 本文主要采用计算流体力学 （ 商业软件 Ｆ ． Ｃ Ｆ Ｄ） ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ对酸性矿井废水流经新型可渗 透反
应墙进行仿真数值模拟 ， 研究该墙体内水流速度及流态 ， 为墙体内填充介质固定生物菌提供水力学依据 ．
１ 应用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件原因及基本方程
流体运动的规律都是以质量 、 动量和能量三大守恒定律等基本物理定律为基础的 ． 而这些基本定律可 由数学方程组描述 ， 采用数值计算方法和图像显示对包含有流体流动和热传导等相关物理现象进行分析 ，
第３期
汪 强， 等： 可渗透反应墙墙体内流速及流态数值模拟
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１ μ （ ） ｖ ｖ｜ Ｖｉ ， Ｓ ２ ｉ ＋Ｃ ２ ｉ ＝－ ρ｜ ２ α ／ ／ （ 式中 ， 即渗透率 ， 若已知水力传导系数 Ｋ ， 而 Ｋ ＝α 可求得α ＝ Ｋ ． Ｃ α 是渗透阻力系数 ， ｇ ｇ） ２ 是内 μ， μ ρ ρ
图 １ 实验装置简化图
／ （ ） ， ／ ， 水力传导系数 Ｋ ＝ Ｖ·Ｌ 实验数据如表 ３ 所示 ， 计算得出 Ｋ 平均值为 １． 进 ２ ４ｈ， ｈ·Ａ· ｔ １ １ ７ｍｍ ｓ Δ １ ０ － ２ 而计算得出陶粒床层渗透阻力系数α ＝ １． １ ４×１ ０ ｍ．
表 １ 柱体总孔隙度 表 ２ 给水度 编号 １ ２ ３ 平均值 表 ３ 水力传导系数 Ｋ 和渗透阻力系数 给水度 编号 １ ２ ３ 平均值 ／ Ｖ ｍ Ｌ ／ Ｔ ｓ ／ Ｋ （ ／ ） ｍｍ ｓ ／ α
２ ｍ
Ｖ 干 试 样／ Ｖ 加 水 饱 和／
ｃ ｍ
３
总孔 隙度 ０． ４ ４
Ｖ 加 水／
ｃ ｍ
３
Ｖ 排 水／
ｍ Ｌ
ｍ Ｌ
Ｓ ｙ
０． ３ ０ ３ ０． ３ ０ ５ ０． ３ ０ ７ ０． ３ ０ ５
１ ２ ２ ４ ２ ４ ０ ０ ５
４ ５ ３ ４． ２ ３ ７ ４ １ ４ ５ ３ ４． ２ ３ ８ ２ １ ４ ５ ３ ４． ２ ３ ９ ０ １ － －
， 酸性矿井 废 水 （ 简 称 ＡＭＤ） 是世界采矿工业面临的最具挑战性的环境问题之 Ａ ｃ ｉ ｄ Ｍ ｉ ｎ ｅ Ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｅ ｇ ， 一． 由于煤矿开采过程中 破坏了煤层及围岩中的硫化矿物 （ 主要是硫铁矿 ） 原 来 的 还 原 环 境， 使之与氧气 在微生物作用下发生一系列复杂物理化 学 反 应 ， 生成大量的低 ｐ 该废水又将煤层及 和水接触 ， Ｈ 值 废 水，