CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用

CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用

龙飞张雨洁

上海理工大学上海200093

摘要：本文介绍了在沉淀池数字模拟中使用的大量振荡模型，概述了目前的研究状况，在计算中采用了模拟污水池的流体动力学模型，并讨论了环境署的对沉淀池数值模拟的影响。模拟结果中拟议边界条件和环境因素，并讨论了将CFD模型应用于模拟污水池的价值。

关键词：CFD模型；污水沉淀池；数值模拟

计算流体力学（CFD）是一门新兴学科，近年来在污水处理中广泛应用，在1980年代，污水处理中的流体动力特性和混合模式的预测主要以物理模型为基础。在1980年代，随着计算机能力和速度的提高，以及涡流模拟技术的发展，动力学物质混合形态的检测成为环境流体动力学和流体动力学的一个重要因素。

1.CFD模型

计算流体动力学模型（CFD）适用于沉积物容器的设计，它以基本的流体动力学原则为基础，是一种比较发达的数字模拟技术，将沉积物沉积几何分为若干小单元，以网格形式进行描述，并确定每个网格单元的质量、能量、动力和固态浓度。由于某些特殊单元的液体受到相邻单元和水库限值的影响，因此，有必要确定这些限值的条件。此外，网格应足够大，才能够更确定表达模型的几何形态（此处指沉积层）和流体的某些重要特性（流体状态），开发简单、方便用户的软件，并通过计算机技术将CFD模型应用于沉淀池数字模拟[1]。

事实上，大多数流体流动都是动荡的，但到目前为止，无法有效地描述动荡流动的方程式，因此，需要增加一些假设条件来修改模型，以使这种模型能够更有效地描述沉淀池的变化。与其他加工装置相比，沉淀池中的液体相对较小，但有时雷诺数非常大，而且较为不稳定，沉淀池中的动力主要是由于水和池中的流体的混合作用。沉淀池的数字模拟使用了大量CFD模型，其中主要包括零方程模型、单一方程式模型、二进制模型、雷诺数模型、代数抗震模型等。零方程模型也称为封闭一级模型，它假定雷诺数的反应能力只是时间平均值的一个函数，只引入了一个额外的代数关系，而不是一个额外的差分方程。该模型仅适用于简单的减压通量计算，而不适用于诸如反射等复杂通量。单等式模型使用涡流动能来描述涡流速率运输方程，不适用于回流等复杂流动

2.模型发展

最近，许多研究人员将CFD模型应用于圆形沉降池，在计算的过程中，循环沉积通常在圆形沉降池直径上进行二维模拟（图1），假定流体均匀分布于模型中，通过具有一定速度和紊流粘度场范围的流体模型（不规则、动态、密度分层流体）和一个悬浮沉积物模型完成颗粒浓度传输模型。异重流是由沉积物密度确定的，固体颗粒对流场的作用是由固体颗粒和流体之间的密度差异函数决定的，其定义是当地流体密度和浓度值固定时简化循环沉积模型，如图1所示[2]。

图1二位图形沉淀池尺寸示意图

为了改进聚合的数字计算，输入应该是辐射性的（高于沉积物沉积中心的管道），而不考虑管道中流体运动的模拟。水表面通常是一个对称平面，垂直梯度为零，没有散射。在固态壁中，边界的速度一般定为零，而其他参数则使用其他标准壁功能来确定，对喷射板上的所有液体输出变量。假定从下往上的梯度等于零，固体悬浮物在固体墙上和液体表面的传播情况也是如此。污水处理厂的水下油井经常将淤泥不断倾倒在井坑底，底流口的几何取决于排放淤泥的形态[3]。

3.模拟应用

采用固体传导方程，CFD模型可以模拟沉淀池两个阶段的流量，并有效用于沉淀池的设计，但仅适用于固体浓度低和密度低的初级沉淀池，这也是设计水下蓄水池的更有效方法。过去，大多数常规污水处理厂都使用长方形沉积物池，因此，沉积物沉积的CFD模拟模型基本上是长方形的。

在过去几年中，我国污水处理厂越来越多地使用圆周沉积槽进行水下蓄水槽处理，同时比较了产生环流沉积的二维CFD模型和试验数据。在二维模型中，切电流还应包括在圆形底附近安装理想式桥式刮渣机。研究表明，循环沉淀池的三维模型模拟电流断裂，在进口挡风玻璃上安装旋转叶片，而产生的电流则通过旋转层模拟。此外，利用临时工作表模拟，观察到站持续时间模拟数字分布曲线（RTD）以及记录试验持续时间的时间长短。此外，在诸如安装临时工作表等因素降低了污泥处理速率等都对模型产生了影响[5]。

此外，讨论了底流几何学对圆形沉积物的影响，以及污水污泥排放系统之间的差异。模拟循环沉降坑的旱季和湿季的流量，以确定挡风玻璃的深度。在旱季，由于挡风玻璃的深度提高，压缩泥浆的厚度大幅度提高了沉积物沉积处理效率。挡风玻璃主要取决于固体负荷和泥浆的沉淀情况，在湿润季节，挡风玻璃越深，泥浆越容易不适当地储存，同时会对海流区域产生不利影响。

4.结论

CFD模型能够有效和准确地预测沉淀池的流量，并可用于沉淀设计研究。影响采用CFD模型进行沉积物模拟的最重要因素是颗粒密度、颗粒大小、沉淀速度分布。悬浮固体沉淀、流体（水）速度分布、悬浮固体扰动质量的扩散以及沉积层底部的沉积物悬浮同时也是影响CFD模型模拟沉积物。目前，在CFD模型的研究过程中，并未考虑到颗粒密度、颗粒大小、颗粒凝结、物质的扩散、液体对质量形成和影响等。也没有考虑到这些影响。CFD在研究挡板几何形状、周边堰板、出水槽、进口管道几何尺寸、侧壁深度、池底坡度和泥斗设计等方面存在缺陷[5]。

参考文献：

[1]华祖林.湍流模型在环境水力学研究中的应用[J].水科学发展，2001,12(3).

[2]ZhouSP,McCorquodaleJA.Modelingofrectangularsettlingtanks-closure[J].JournalofHydraulicEngineering-ASCE,1994,

120(2):279-281.

[3]詹咏.沉淀池中的异重流运动特征[J].中国给水排水,2003,19(1):43-45.

[4]曾光明,葛卫华,秦肖生,等.污水厂二维沉淀池水流和悬浮物运动数值模拟[J].中国环境科学学报,2002b,22(4):338-341.

[5]张政,谢灼利.流体!固体两相流的数值模拟[J].化工学报2001,52(1):1-10.