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：利用改進進的RNG兩方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，對輻流式式二沉池內(nèi)速速度場和污泥泥濃度分布進進行了數(shù)值模模擬。研究結結果表明：沉沉淀池表面和和底部存在著著兩個回流區(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，整個系系統(tǒng)的處理效效能與二次沉沉淀池的設計計和運行密切切相關，沉淀淀池內(nèi)固液兩兩相流流態(tài)對對沉淀池性能能有著重要影影響。Anderrson等[1,2]實驗研究表表明：沉淀池池內(nèi)同時存在在密度流、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，沉淀淀和流動耦合合在一起，相相當復雜。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動方程對對二沉池進行行了數(shù)值模擬擬。國內(nèi)曾光光明等[7,8]利用渦量法法對二沉池進進行了數(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數(shù)學模型型。然而，多多項研究結果果表明[10]：兩方程湍流流模型對浮力力流、重力分分層流、低雷雷諾數(shù)流動的的預報是失敗敗的，不僅在在定量上，甚甚至在定性上上失真。本文文利用改進的的兩方程模型型和MIXTUURE多相流模型型對輻流式二二次沉淀池內(nèi)內(nèi)的流態(tài)進行行了數(shù)值模擬擬，為優(yōu)化池池型，提高沉沉淀效率奠定定基礎。2數(shù)學模型二次沉淀池屬于于一個固液兩兩相流反應器器，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，計計算量小且結結果較為可靠靠而得到了較較多應用[111]。Mixturee模型連續(xù)性性方程：（1）這里是質量平均均速度：（2）是混合密度：（3）是第相的體積分分數(shù)，是用戶戶定義的質量量源相的質量量傳遞。Mixturee模型動量方方程：動量方程可以通通過對所有相相各自的動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于于主相的速度度：（7）滑移速度和漂移移速度的關系系為：（8）第二相相的體積分數(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用，但由由于它是各項項同性模型，不不適合浮力流流、重力分層層流等明顯各各項非同性的的流動，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)，它的湍流流動能和湍流流動能耗散率率的運輸方程程分別為:((10)(11)((12)式中：，，有關關系數(shù)如下：：，。公式12是一個完整整的方程，通通過此式，可可以得到湍流流變量對雷諾諾數(shù)的影響，使使得方程對低低雷諾數(shù)和近近壁流動有著著更好的結果果，在高雷諾諾數(shù)的情況下下，，改進的RNG模型同同標準的的模模型幾乎有著著相同的結果果。3模擬對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，防止止進水和污泥泥回流之間的的短流[133]。屬軸對對稱圖形，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進水活性污泥泥濃度3.4kgg/m3,回流比0.86，進口速度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，使用標準準壁面函數(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方法進行求求解，湍動能能、湍流耗散散、動能均采采用QUICK離散格式，使使用結構化四四邊形網(wǎng)格共共24417個。開始計計算時，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)開始計算，初初始假設池內(nèi)內(nèi)充滿清水，活活性污泥混合合液開始進入入沉淀池，直直到出水和底底流污泥濃度度不變，總質質量等于進水水污泥質量，池池內(nèi)污泥不再再累積，認為為達到穩(wěn)定，整整個過程需要要近45000步計算，在Pentiium422.4G，DDR2666內(nèi)存512M計算機上耗耗時約26小時。4模擬結果與與分析圖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，這個個結果同文獻獻對實際沉淀淀池測試結果果[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值，說明明這兩個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，在某一個個深度，污泥泥濃度突然增增加，這表明明存在著一個個污泥界面，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)，這同金志志剛等實驗測測試結果相一一致[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結論本文利利用改進的RNG兩方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，SIMPLLEC求解方法，對對一輻流式沉沉淀池內(nèi)速度度場和污泥濃濃度場進行了了數(shù)值模擬。研研究結果表明明：沉淀池表表面和底部存存在著兩個回回流區(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，污污泥層中相當當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)。但但由于實驗條條件的限制，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)以做對比比，還需進一一步研究。[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.Inffluencceofinlettandoutleetconnfigurrationnontt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