CFD模型在污水沉淀池数值模拟中的应用_朱炜

朱炜，马鲁铭，盛铭军（同济大学环境科学与工程学院，上海200092）本文介绍了沉淀池数值模拟中所运用的大量紊流模型，综述了计算流体力学（CFD）模型应用于污水沉淀池数值模拟的研究现状，讨论了不同边界条件、环境因素对模拟结果的影响，评述了CFD模型应用于污水沉淀池数值模拟的优劣。CFD；紊流模型；!-!模型；沉淀池X703.1A1000-3770(2006)04-0010-04计算流体动力学(CFD)是一门新兴发展起来的学科，近年来已经广泛应用于污水处理。20世纪70!80年代，预报污水处理中的水流动力特性和掺混输运规律主要依靠物理模型；20世纪80年代以后，随着计算机容量与速度的提高以及湍流模拟技术的发展，针对实际工程问题，求解动量输运方程、探明物质掺混规律成为环境水力学及环境流体力学的重要发展趋势[1]。应用于沉淀池设计的计算流体动力学（CFD）模型以基本流体力学原理为基础，是一种较为成熟的数值模拟技术。它把沉淀池几何体分成许多小单元，以网格形式描述问题，并对网格内的每个单元建立质量、能量、动量和固体浓度方程，包括一些化学或生物反应。一些特殊单元内的流体受到相邻单元和池体边界的影响，需确立边界条件。网格的划分数目应当足够多，最好能精确表征模型的几何形状（本文中指沉淀池）和流体的一些重要特征（流态）。由于大量的网格单元和方程应用，使得流体问题更加依懒计算机技术，而简单、易用的软件开发和计算机技术的发展使CFD模型在沉淀池数值模拟中的应用取得了重要进展[2]。事实上，大多数的流体流动属于紊流，但迄今为止，我们还不能有效利用那些描述紊流运动的方程，因此，应增加假设条件来修正模型，使得这一类修正紊流模型可以更加有效地描述紊流情况。沉淀池中的流体流速相对其它处理工艺单元来说较小，但有时雷诺数很高，属于紊流。沉淀池内紊流主要是由进水和池内流体混合、固体边界的影响和水面的风剪切力引起的。沉淀池数值模拟中使用大量的CFD紊流模型，主要包括零方程模型、单方程模型、双方程模型、雷诺应力模型（RSM）、代数应力模型（ASM）等等[1]。零方程模型也叫一阶封闭模型，假定雷诺应力只是时均量的函数，仅引入附加的代数关系而不引入附加的微分方程。典型的零方程模型是混合长度模型，这种模型只适合简单剪切流动计算，不适用于回流等复杂流动。单方程模型选用湍流动能!来描述湍流速度比尺的运输方程，同半经验模型相比有所改进，但仍有混合长度模型的缺陷。双方程模型中，!!双方程模型经过近30年的检验，被认为求解简单、结果准确，得到了大量应用。湍流动能!和湍流动能耗散率!的运输方程分别为：#(!)+$i(!%i)=$j[(#+$i%k)!!$j]收稿日期：2005-03-24基金项目：国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2002AA601270）；上海市重点学科建设项目（042312067）；上海市博士后科研资助计划项目（2004036347）作者简介：朱炜（1981-），硕士研究生，主要从事水污染控制研究；联系电话：021-65986175；E-mail：vivimp3@163.com。第32卷第4期2006年4月Vol.32No.4Apr.,200610DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2006.04.003+!x+!b-!-M+#!（1）$(!)+%i(!&i)=%j[(#+$i%k)&%j]+’1ε&(()k+’3E*b)-+2Eρ&2(+,E（2）式中，$#!’u(2&，标准(-&模型中的有关系数如下：+1E=1.44，+2E=1.92，+μ=0.99，%k=1.0，%ε=1.3。一些修正(-&模型已应用于重要工程的不同流体模拟计算中。低雷诺数修正模型把(-&模型扩展到了低雷诺数的情况，使其可以适用于层流区、过渡区和全紊流区。然而，标准紊流模型仍是沉淀池模拟中应用最广泛的模型。近来，较多研究者将CFD模型应用于圆形二沉池。为了加快计算速度，圆形沉淀池一般以二维形式模拟（图1），分别为水深和池径，并且假设流体在所有径向平面上均匀分布。由Zhou和McCorquodale[3]建立的模型是文献记录中最为先进的模型，它由两部分组成：假设速度和紊流粘度场的流体模型（非稳态的、紊动的、密度分层流）以及用于确定颗粒浓度场的悬浮沉淀物传输模型。异重流由沉淀物密度项定义，固体颗粒对流场的影响是固体颗粒和局部流体之间密度差异的函数，局部流体密度（!）与固体局部浓度值有关[4]：!=!r++(1-,S-1)（3）其中，!r是参照流体（水）密度kg/m3；+是SS浓度kg/m3；,S是固体颗粒比重。悬浮固体浓度+的传输通过以下固体传输方程来求解：!!+!!$$$+.$/’011...2sr!!’!!.!$1.!!!0.2sy!!’!!03./S!+（4）其