基于FLUENT的旋流池数值模拟与优化研究

验研究确定反应器内的流态和流动特征，从而获得反应器设计的优化参数，再进行实际反应器的设计。传统研究方法存在的主要缺点是开发周期较长、开发成本较大。随着计算机数值计算技术的发展与人们对反应器机理认识的不断深化，计算机模拟已成为研究反应器的重要手段。T．Oda和T．Yano[1]等人将微生物反应模型、污泥沉降模型、大气泡及微小气泡的氧传质模型[2]加入CFD三维多项N—S求解器中，并将包含于模型中的所有参数按照试验结果进行了校核，结果发现计算结果与试验结果基本一致。将校核后的模型应用于缺氧间歇曝气搅拌反应器的优化，发现对反应器5min曝气、85min停曝的循环周期是最佳的运行工况。此项研究表明数值模拟技术用于污水处理厂的优化是可行的。湖南大学韦安磊[3]等人运用Fluent软件对污水处理厂二沉池内流场进行了数值模拟，得到二沉池内流场速率分布规律及流态临界位置水流速率，并基于此对二沉池内结构进行了改造，增大了二沉池的处理量；刘永红[4]从流体力学角度，通过建立沉降速度模型探讨了UASB反应器中颗粒污泥的沉降性能与终端沉降速度，模拟结果表明颗粒污泥的终端沉降速度远大于厌氧反应器中废水的上流速度，其良好的沉降性能解决了在高负荷情况下污泥的流失问题，并为厌氧反应器的工艺设计与正常运行提供了理论依据；刘文君[5]在对提高清水池水力效率的研究中应用CFD软件，得到了清水池数学模型的液龄分布函数和累计液龄分布函数，并改变模型流场设置，分别建立模型进行模拟计算，得出了清水池水力效率的优化方案。相比传统的反应器开发方法而言，计算机模拟开发缩短了设计周期，减少了实验室测定试验的项目，从而减少产品开发成本。目前正式发布的有关反应器数值模拟的软件众多，如PHOE—NICS、ANYSYS、FLUENT等。美国Fluent公司开发的FLUENT是其中的典型代表，该软件已在机械、建筑、汽车、化工等行业得到了广泛的使用[6-81。本文拟采用FLUENT软件，对取消锥形板的水力旋流池固液分离效果进行数值模拟计算。1旋流池数值模拟1．1数值模型的建立362给水排水Vol,35增刊2009(1)利用GAMBIT对取消锥形板后的旋流池进行几何建模。为了节省内存空间，采用分块网格划分的方法，整个区域划分为23块。在规则区域利用六面体单元进行区域离散，以减少离散单元数；在非规则区域，采用四面体单元进行区域离散。整个区域划分约1229439个混合型单元。图3是旋流池网格划分示意。图3旋流池网格划分不意(2)将上述计算网格输入FLUENT求解器，在检查确认没有负网格后选择求解模型。旋流池内水流运动的模拟计算应用湍流流动模型，联立连续性方程、动量方程、k方程以及￡方程[9]共同积分求解；旋流池内氧化铁皮运动的模拟计算应用两项流中离散相颗粒运动模型，通过对颗粒力平衡方程[10]的积分来求解。1．2材料物性、边界条件、边界类型和初始条件(1)旋流池模拟计算进水水温为43℃，此时水的密度为ID一992．2kg／m3，动力粘度为卢=o．0006321kg／(m·s)；离散相氧化铁皮的密度按3000kg／m3考虑。(2)对连续相而言，在流场近壁区，采用双层非平衡壁面函数法进行处理；旋流池中与大气连通的水平液面处理为自由液面。(3)对离散相而言，为简化，不考虑颗粒与连续相之间的相互影响。在利用FLUENT软件中的离散相模拟模型进行计算时，假定一定数量或质量流率的颗粒均布在旋流池入口截面上，底槽底设定为“吸附”边界，池壁设定为“反射”边界，出口设定为“逃逸”边界。(4)旋流池模拟计算进水流量为12300m3／h，人VI处水流速度为3．418m／s，进行流场初始化。1．3求解计算根据上述设定，按照隐式差分格式进行迭代万方数据计算直至收敛(残差控制在10．5数量级)，模拟出氧化铁皮在旋流池不同区域中的沉淀特征。根据这些沉淀特征，可以得到旋流池氧化铁皮的分离特性。2分离效率的模拟结果与分析2．1分离效率的计算假定进口水流中氧化铁皮为单一粒径，则针对该粒径的氧化铁皮可以得到某一确定的分离效率ese由下式确定：e=N／M(1)式中忙通过FI。UENT软件计算所得沉淀分离的某粒径氧化铁皮粒子数量；M二一模拟计算中设定的水力旋流池进口处某粒径氧化铁皮粒子数量。然后改变进口水流中颗粒的粒径，再获得相应的分离效率数据，则可以得到分离效率与氧化铁皮粒径的关系曲线。该曲线即为分离效率曲线。根据分离效率曲线的概念，可以作出如图4所示的旋流池铁皮沉淀率一粒径关系模拟曲线。图4旋流池铁皮沉淀翠一粒径关系模拟曲线2．2结果与分析从旋流池铁皮沉淀率一粒径关系模拟曲线图可知，取消锥形板后，粒径为0．01mm情况下的氧化铁皮颗粒沉淀率最低，其值为84．1％；粒径大于0．01mm的颗粒，其沉淀效率随粒径的增大呈缓慢上升的趋势，当粒