氧化沟弯道流场的模拟与改进

境氧化沟弯道流场的模拟与改进王红菊1郭亚兵2胡钰贤2(1太原科技大学应用科学学院2太原科技大学环境与安全学院山西太原030024)摘要针对氧化沟弯道水流流态的复杂性，利用Fluent仿真软件对氧化沟弯道水流流速进行模拟分析，对不同设置形式氧化沟内水流的速度分布情况进行模拟比较，探讨导流墙的设置对减少污泥沉积的机理。关键词氧化沟导流墙污泥沉积中图分类号：X703．1文献标识码：A文章编号：1672—9064(2009)06—0010-03氧化沟使用定向控制的曝气和搅动装置．向混合液传递水平速度．从而使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动因此氧化沟具有特殊的水力学流态．既有完全混合式反应器的特点．又有推流式反应器的特点．氧化沟一般使用转刷等曝气设备向水中供氧．同时推动水流前进．．为了保证混合液不会存氧化沟的沟底形成污泥的沉积．要求断面的平均流速存0．3m／s到0．5nv's以上．沟底的流速不能低于0．hw's、但是．由于弯道的存在．导致氧化沟中的流态复杂，流速分布不均匀．不能保证生物处理系统的稳定运行和能耗的降{t~21采f【}j数值模拟方法准确地模拟氧化沟流场的流速分布．这对优化氧化沟的结构形状设计至关重要本文将基于计算流体力学(CFD)模拟原理．对城市污水处理厂的氧化沟弯道流场流态进行数值模拟．并在模拟的基础上．对氧化沟弯道内导流墙的设置进行优化．其优化方式为改变隔墙的长度．增加导流墙．并延长导流墙末端长度通过对导流墙不同设置方式的模拟．分析导流墙在氧化沟水处理过程中得作用．最终提出最佳的设置形式．以改善氧化沟流场的流速分布．防止或减少其中的污泥沉积．同时也有利于降低能耗1氧化沟弯道水流基本特征氧化沟弯道凹壁能使水流方向改变．水流的惯性便对凹壁产生冲击．凹壁对水流施加反力．迫使水流沿墙转向．水流产生动量变化造成水流速度的重新分布存弯道出口隔墙背后出现较大的低速区．甚至现回水现象，形成漩涡．造成这一区域的污泥沉积氧化沟弯道的横断面上各水流质点的横向分速构成的环向水流．与纵向水流一起．合成弯道上的螺旋流表现为弯道外侧水流有水面流向侧底部．内侧水流由底部流向外侧表面．底泥的运动使之从凹肇移向llr凸壁沉积2模拟研究2．1控制方程流体运动应该遵循能量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律在CFD巾需要求解的连续性方程和N—S方程就是描述这些定律的具体形式氧化沟中的流体流速较低．可视为不可几流体N—s／j程f<适用于层流求解氧化沟中的流动应视为是湍流运动lIl对湍流问题的处理方法是由雷诺时均方程代替N—S方程．再附加补充的关系式后构成封闭完整的湍流模型不同的补充条件就有不同的湍流模型[4jKarama等人的研究证明．应用标准的K一￡模型与雷诺应力模型所得结果基本一致因此．本文选用最常用的标准K—s模型进行模拟计算研究连续性方程：00x．雷诺方程=s．一袈一+袅v,gui)一毒(2)k7Y{~：dk=vtOk+VOu,_+_!guj,gu~Ipg等_￡(3)s方程}=熹Vt,gk)+c(P+G)(1+cRr)一c}f4)其巾：一=v(,gui+旦,gxu上i)一k8，8为克罗内可(Kroneker)符号，8IO1((ii：#j))；v,Cuk82；P：vl(,gui+,gXi1OXj；G=6g|盯1．一￡，k-s模型『11常数数值见表l。dX．表1K—s模型中常数数值求解上述模型可用成熟的商用CFD软件进行．目前应用最为广泛的计算软件是FLUENT软件。2-2氧化沟模型基金项目：山西省回国人员科技项目(200783)作者简介：王红菊(1983～)，女，河北邢台人，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制及其仿真2009．NO．&一源一氧化沟模型来自某污水处理厂，处理量为8万洲．单沟宽lOm，弯道为9O。半圆形．半径5m．为了保证水流能够平稳图l设有导流墙的氧化沟计算物理模型的进入弯道．模型取直道长度为20m．沟深为3．5m图l为氧化沟计算物理模型3边界条件氧化沟进水口和出水口均位于直段上．速度符合质量守恒定律和无旋假设．进口相对速度为0．3m／s．出口设置为自由出流．对所有的固壁．包括氧化沟立壁、导流墙．仅采用非滑移边界条件．其流速为Om／s假设沟内水面为一定深度的水面，而非自由面，采用滑移边界条件。4模拟与分析对图l的物理模型进行网格划分．形成有限元模型冈网格质量直接影响计算结果精度和收敛性．选择与其求解相配的高质量网格生成方法是求解的关键．故选用智能网格划分法．以矩形网格为主氧化沟同一层面上的混合液所受的压力相等．在曝气转刷的推动下．其密度均匀并保持一致，接近于清水．冈此模拟介质假定为无压缩清水．水温设定为20℃。本文首先是对无导流墙的2组氧化沟进行模拟．比较隔墙长度对水流的影响．随后在2组氧化沟的弯道处加导流墙．并进行模拟与比较．选择