輻流式二沉池固液兩相流數(shù)值模擬

輻流式二沉池固液兩相流數(shù)值模擬摘要：利用改進(jìn)進(jìn)的RNG兩方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，對(duì)輻流式式二沉池內(nèi)速速度場和污泥泥濃度分布進(jìn)進(jìn)行了數(shù)值模模擬。研究結(jié)結(jié)果表明：沉沉淀池表面和和底部存在著著兩個(gè)回流區(qū)區(qū)，池中下部部速度較高。池池內(nèi)存在著明明顯的泥水界界面，污泥層層中相當(dāng)大的的部分是等濃濃度區(qū)，污泥泥層底部是濃濃度較高的壓壓縮區(qū)。關(guān)鍵詞：輻流式式沉淀池；兩兩相流；數(shù)值值模擬Solid-lliquiddtwophaseeflowwsimuulatiooninacirrcularrsecoondaryyclarrifierrAbstracct:BaasedoontheimproovedRRNGttwo-equattionmmodelandttheMIIXTUREEmulttiphassemoddel,ttheflluidvvelociitydiistribbutionnandsludggevollumeffractiioninnaciirculaarclaarifieerwerresimmulateed.Reesultssindiicateddthatttwodeadzonessexisstediintheesurffaceaandboottomofthheclaarifieerresspectiively..Theveelocittyinthemmiddleeloweerparrtofthecclariffierwwashiigher..Obviioushhorizoontalsludgge-watterinnterfaacewaasfouundanndtheemajoorparrtofthessludgeeblannketwwasissoconccentraation..Thebottoomofthessludgeewasacommpresssionallzoneewithhhighherslludgeconceentrattion.Keyworrds:ccircullarcllarifiier,twophaseefloww,nummericaalsimmulatiion1前言二次沉淀池是活活性污泥法的的重要組成部部分，整個(gè)系系統(tǒng)的處理效效能與二次沉沉淀池的設(shè)計(jì)計(jì)和運(yùn)行密切切相關(guān)，沉淀淀池內(nèi)固液兩兩相流流態(tài)對(duì)對(duì)沉淀池性能能有著重要影影響。Anderrson等[1,2]實(shí)驗(yàn)研究表表明：沉淀池池內(nèi)同時(shí)存在在密度流、分分層流、絮凝凝沉淀、區(qū)域域沉淀和壓縮縮沉淀等多種種現(xiàn)象，沉淀淀和流動(dòng)耦合合在一起，相相當(dāng)復(fù)雜。Lyn[3]]、Krebss[4,5]和周四平[6]等人利用湍流流模型和不同同的污泥顆粒粒運(yùn)動(dòng)方程對(duì)對(duì)二沉池進(jìn)行行了數(shù)值模擬擬。國內(nèi)曾光光明等[7,8]利用渦量法法對(duì)二沉池進(jìn)進(jìn)行了數(shù)值模模擬，蔡金榜榜等[9]研究了了基于剖開算算子法的沉淀淀池?cái)?shù)學(xué)模型型。然而，多多項(xiàng)研究結(jié)果果表明[10]：兩方程湍流流模型對(duì)浮力力流、重力分分層流、低雷雷諾數(shù)流動(dòng)的的預(yù)報(bào)是失敗敗的，不僅在在定量上，甚甚至在定性上上失真。本文文利用改進(jìn)的的兩方程模型型和MIXTUURE多相流模型型對(duì)輻流式二二次沉淀池內(nèi)內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行行了數(shù)值模擬擬，為優(yōu)化池池型，提高沉沉淀效率奠定定基礎(chǔ)。2數(shù)學(xué)模型二次沉淀池屬于于一個(gè)固液兩兩相流反應(yīng)器器，Mixtuure模型是一種種簡化的多相相流模型，它它假定在短空空間尺度上的的局部平衡，來來求解混合相相的動(dòng)量、連連續(xù)性和能量量方程，第二二相的體積分分率以及滑移移速度和漂移移速度。由于于模型簡單，計(jì)計(jì)算量小且結(jié)結(jié)果較為可靠靠而得到了較較多應(yīng)用[111]。Mixturee模型連續(xù)性性方程：（1）這里是質(zhì)量平均均速度：（2）是混合密度：（3）是第相的體積分分?jǐn)?shù)，是用戶戶定義的質(zhì)量量源相的質(zhì)量量傳遞。Mixturee模型動(dòng)量方方程：動(dòng)量方程可以通通過對(duì)所有相相各自的動(dòng)量量方程求和來來獲得，它可可以表示為：：（4）其中是是相數(shù)，是體體積力，是混混合粘性（5）是第二相的漂移移速度：（6）滑移速度被定義義為第二相的的速度相對(duì)于于主相的速度度：（7）滑移速度和漂移移速度的關(guān)系系為：（8）第二相相的體積分?jǐn)?shù)數(shù)方程：（9）湍流模型有多種種，包括單方方程模型，雙雙方程模型（Standdard,RNG,Realiizablee），雷諾應(yīng)力力模型和大渦渦模擬等。雙雙方程模型自自提出以來得得到了大量的的應(yīng)用，但由由于它是各項(xiàng)項(xiàng)同性模型，不不適合浮力流流、重力分層層流等明顯各各項(xiàng)非同性的的流動(dòng)，于是是出現(xiàn)了很多多修正的模型型，基于重整整化群的RNG兩方程程模型[12]即是其中的的一種，它考考慮了湍流漩漩渦，提高了了計(jì)算精度并并可以正確的的處理近壁區(qū)區(qū)域，適用于于分層流和浮浮力流。本文文采用該湍流流模型模擬沉沉淀池內(nèi)流態(tài)態(tài)，它的湍流流動(dòng)能和湍流流動(dòng)能耗散率率的運(yùn)輸方程程分別為:((10)(11)((12)式中：，，有關(guān)關(guān)系數(shù)如下：：，。公式12是一個(gè)完整整的方程，通通過此式，可可以得到湍流流變量對(duì)雷諾諾數(shù)的影響，使使得方程對(duì)低低雷諾數(shù)和近近壁流動(dòng)有著著更好的結(jié)果果，在高雷諾諾數(shù)的情況下下，，改進(jìn)的RNG模型同同標(biāo)準(zhǔn)的的模模型幾乎有著著相同的結(jié)果果。3模擬對(duì)象與邊邊界條件一輻流式二次沉沉淀池中心深深4m，周邊深2m，泥斗設(shè)在在池中央，池池底向中心傾傾斜，一塊垂垂直入流擋板板，用于把入入流引向池底底，一塊水平平擋板，防止止進(jìn)水和污泥泥回流之間的的短流[133]。屬軸對(duì)對(duì)稱圖形，幾幾何尺寸如圖圖1所示。圖1輻流式二二沉池示意圖圖該池進(jìn)進(jìn)水活性污泥泥濃度3.4kgg/m3,回流比0.86，進(jìn)口速度1.9cmm/s，出口壓力力為大氣壓，水水面為沒有剪剪切和滑移速速度的自由界界面，池底和和邊壁為固體體壁面，壁面面上速度為0，使用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)壁面函數(shù)[[14]。用用有限體積法法求解微分方方程，壓力與與速度耦合方方程使用SIMPLLEC方法進(jìn)行求求解，湍動(dòng)能能、湍流耗散散、動(dòng)能均采采用QUICK離散格式，使使用結(jié)構(gòu)化四四邊形網(wǎng)格共共24417個(gè)。開始計(jì)計(jì)算時(shí)，由于于無法知道池池內(nèi)各處污泥泥濃度，所以以須從非穩(wěn)態(tài)態(tài)開始計(jì)算，初初始假設(shè)池內(nèi)內(nèi)充滿清水，活活性污泥混合合液開始進(jìn)入入沉淀池，直直到出水和底底流污泥濃度度不變，總質(zhì)質(zhì)量等于進(jìn)水水污泥質(zhì)量，池池內(nèi)污泥不再再累積，認(rèn)為為達(dá)到穩(wěn)定，整整個(gè)過程需要要近45000步計(jì)算，在Pentiium422.4G，DDR2666內(nèi)存512M計(jì)算機(jī)上耗耗時(shí)約26小時(shí)。4模擬結(jié)果與與分析圖2為為沉淀池內(nèi)污污泥濃度分布布圖，不同顏顏色代表不同同的污泥濃度度。從圖中可可以看出，沉沉淀池內(nèi)存在在著清晰的水水平泥水界面面，在此界面面以上，污泥泥濃度基本為為0，在此界面面以下，污泥泥濃度基本一一致，池底有有一層較薄的的污泥濃縮層層，污泥濃度度很高，這個(gè)個(gè)結(jié)果同文獻(xiàn)獻(xiàn)對(duì)實(shí)際沉淀淀池測試結(jié)果果[15]是一致的。圖2沉淀池內(nèi)內(nèi)污泥濃度分分布圖圖3是是沉淀池內(nèi)速速度流線圖，從從圖中可以看看出，沉淀池池表面和沉淀淀池底部存在在著兩個(gè)回流流區(qū)域，占據(jù)據(jù)了一定的沉沉淀池容積，沉沉淀池中部流流線密度高說說明水流速度度較高，池面面流線稀疏說說明水流速度度較低。圖3沉淀池內(nèi)內(nèi)速度流線圖圖圖4是是沉淀池內(nèi)速速度分布圖，A圖-F圖分別表明明了距離軸3m、6m、9m、12m、15m和18m處垂直方向向水平速度情情況。所有的的圖中都表明明池底速度為為負(fù)值，說明明速度方向指指向中心回流流區(qū)，這是由由于回流比較較大，加上池池底傾向中心心回流，致使使池底部水流流流向與表面面水流流向相相反；并且在在沉淀池中下下部均存在一一個(gè)速度極大大值。在距軸軸3m即垂直擋板板后部，池面面水流速度約約為0，在距軸6m和9m處，池面水水流速度均為為負(fù)值，說明明這兩個(gè)部位位存在著回流流，隨著距離離出水堰越來來越近，池面面速度發(fā)生改改變，速度越越來越高。A距軸3mB距軸6mC距軸9mD距軸12mmE距軸15mmF距軸18mm圖4沉淀池內(nèi)內(nèi)速度分布圖圖圖5是是沉淀池內(nèi)污污泥濃度分布布圖，A圖-F圖分別表明明了距離軸3m、6m、9m、12m、15m和18m處垂直方向向污泥濃度分分布情況。所所有的圖都表表明沉淀池表表面污泥濃度度幾乎為0，在某一個(gè)個(gè)深度，污泥泥濃度突然增增加，這表明明存在著一個(gè)個(gè)污泥界面，界界面上下污泥泥濃度截然不不同。A圖-D圖清晰地表表明，在污泥泥層的上部分分，存在著一一個(gè)污泥等濃濃度區(qū)，在污污泥層底部，污污泥濃度很高高，表明這是是污泥壓縮區(qū)區(qū)。在接近出出水堰的部位位，由于出水水水流的影響響，污泥層等等濃度區(qū)特征征不夠明顯，但但依然集中在在一定范圍內(nèi)內(nèi)，這同金志志剛等實(shí)驗(yàn)測測試結(jié)果相一一致[16]]。A距軸3mB距軸6mC距軸9mD距軸12mmE距軸15mmF距軸18mm圖5沉淀池內(nèi)內(nèi)污泥濃度分分布圖4結(jié)論本文利利用改進(jìn)的RNG兩方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，SIMPLLEC求解方法，對(duì)對(duì)一輻流式沉沉淀池內(nèi)速度度場和污泥濃濃度場進(jìn)行了了數(shù)值模擬。研研究結(jié)果表明明：沉淀池表表面和底部存存在著兩個(gè)回回流區(qū)，池中中下部速度較較高。池內(nèi)存存在著明顯的的泥水界面，污污泥層中相當(dāng)當(dāng)大的部分是是等濃度區(qū)，污污泥層底部是是濃度較高的的壓縮區(qū)。但但由于實(shí)驗(yàn)條條件的限制，尚尚未有足夠的的該池內(nèi)速度度分布和污泥泥濃度分布數(shù)數(shù)據(jù)以做對(duì)比比，還需進(jìn)一一步研究。[1]Anddersonn,N.EE.Dessignoofsetttlinggtankksforractiivateddsluddge.SSewageeWorkksJouurnal..19455,17((1):500:63[2]Breetscheer.U..,Kreebs,PP.,anndHagger,WW.H.IImprovvementtoffflowiinfinnalseettlinngtannks.JJournaalofEnvirronmenntalEEngineeeringg.ASCCE,19992,1118(3)):307--321[3]Lynn.D.AA.,Sttamou..A.II.,anndRoddi,W..Denssityccurrenntsanndsheear-innduceddfloccculattioniinseddimenttationntankks.JoournallofHHydrauulicEEngineeeringg.199921188(6):8849-8667[4]Kreebs.PP.,Arrmbrusster,M.,aandRoodi,WW.Labboratooryexxperimmentsofbuuoyanccy-inffluenccedfllowinnclarrifierrs.JoournallofHHydrauulicRResearrch.11998336(5)::831-8851[5]Kreebs,PP.,Sttamou,,A.II.,Gaarcia--Herass.Inffluencceofinlettandoutleetconnfigurrationnontthefllowseecondaarycllarifiiers.WaterrScieenceaandTeechnollogy.199634(5--6):1--9[6]Zhoou,S..,McCCorquoodale..J.A..ModeelingofreectanggularsettllingttanksJournnaloffHydrrauliccEngiineeriing.119921118(100):13991-14005[7]曾光明明,葛衛(wèi)華,秦肖生等.污水廠二維維沉淀池水流流和懸浮物運(yùn)運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬擬.中國環(huán)境科科學(xué),20002,22((4):3338-3411[8]曾光明明,葛衛(wèi)華,秦肖生等.數(shù)值模擬方方法在二維沉沉淀池優(yōu)化設(shè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用用.環(huán)境工程,20002,20((4):100-12[9]蔡金榜榜,段祥寶,朱亮.沉淀池水流流數(shù)值模擬.重慶建筑大大學(xué)學(xué)報(bào),20003,25((4):644-69周國臣,關(guān)于于西安市污水水處理廠周邊邊式輻流沉淀淀池運(yùn)行情況況的討論與建建議.西南給排水.19888,100(5):44－7[10]周力力行.多相湍流反反應(yīng)流體力學(xué)學(xué).北京：國防防工業(yè)出版社社.20002年1月[11]FlluentInc.FluenntDoccumenttationn.USAA[12]V..Yakhoot,L.M..Smithh,Thee