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曝气池内气液两相流CFD数值模拟

肖浩飞  
【摘要】: 水,作为人类所需的不可替代的一种资源,是社会可持续发展的重要支柱之一。近百年来由于城市化、工业化和农业集约化的高速发展、人口爆炸性地增长,给全球资源、环境都带来了巨大的压力,使全球可利用的淡水资源日益减少,供需矛盾加剧。污水处理是解决这一矛盾的主要方法之一,其中活性污泥法是处理污水的最重要治理方法,如何提高活性污泥法的运行效率、降低废水处理成本,是学术界与工业界关注的热点问题之一。 活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统所构成,曝气池是采用活性污泥法进行污水生物处理的主要构筑物。因此曝气池性能的好坏直接影响着废水的处理效果。国内外许多水处理专家对曝气池生物反应、净化机理、运行管理等的研究都是在实验室中通过实验进行水质比较而得到的经验方法。由于工程实际装置的复杂性以及有限的实验条件,有些问题在实验室里很难完成,但是应用近代计算流体力学以及大型计算机为基础的数学模拟理论及方法可以实现工程放大可能出现的一些问题。曝气池数值模拟属于气液两相流范畴。气液两相流是常见的一种物质流动,广泛用于工程和环境领域中,但是迄今为止,人们对两相流的相互作用,两相传质、传热机理不甚清楚,而在许多工程应用中又迫切需要解决这些问题。 鉴于此,本文利用商业计算流体力学的软件FLUENT6.2对中心进气式和偏心进气式曝气池反应器内的气液两相流进行了三维瞬态数值模拟。模拟的气体速度分别为0.05m/s,0.20m/s和0.70m/s,模拟采取了双流体模型,液相湍流采用标准k-ε方程,两相间的动量传递只考虑曳力作用,并对中心进气式曝气池研究结果与以往的实验及计算结果作对比。 结果表明:采用双流体模型和标准k-ε模型可很好的模拟曝气池内的两相流的流体力学特性;模拟获得了中心进气式和偏心进气式曝气池内的液速、气含率分布等。对于两种反应器,曝气气速越大,气含率、液速和轴向液速越大,气液之间混合越充分,曝气效果越好;进气方式的不同,两种反应器内的气含率和流型存在较大的差异,说明曝气气速和进气方式的不同是曝气池反应器设计和改进的重要流体力学参数,对气含率分布和流型有显著影响。在两种反应器中,气泡刚开始都是以直线垂直上升,过一段时间后,气泡的运动开始偏离轴中心,气泡群开始发生了摆动。 在中心进气式曝气池中,气体主要集中在反应器的中心,随着曝气气速的增加,气体的分布范围逐渐变宽(在较小的曝气气速(0.05m/s)下,气体只分布在池中心,几乎没有向两壁之间进行扩散),气泡群的摆动增大,导致气体在较大范围内的分布,有利于氧传递,增强曝气效果。液速矢量图所呈现的液体流场如下:池中心的液体向上流动,两侧液体向下流动,从而使池中心两侧存在液体循环。这与D.Pfleger(1999)和罗玮实验观察得到的流场结构是一致的。 在偏心(偏右侧)进气式曝气池中,气体主要集中在反应器的右侧(气泡流区域)。在气泡流区域,随着距池底的高度增加,气含率越小,相反在气泡流区域的右侧范围内,随着距池底高度的增加,气含率反而是越大。同时可以发现增大气速可使池内的气含率在较短时间内达到较好的分布,涡结构形成,从而使流场内各相之间达到很好的混合效果。 论文研究发现,中心进气式与偏心进气式曝气池在气含率和流型上有显著的差别。在中心进气式曝气池中,气含率大部分分布在池的中心区域,两侧分布极少;在偏心进气式曝气池中,气含率大部分分布在反应器右侧,在整个池中气含率的分布比中心式进气式较均匀,从溶解氧角度来说,偏心进气式优于中心进气式曝气池。但是同样的曝气效果,偏心进气式曝气池需要更多的能量,从能量角度来说,中心进气式要优于偏心进气式曝气池。


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