CFD在生產污水環保領域的應用研究

王遺

(中國醫藥集團重慶醫藥設計院，重慶400042)

1 引言

混合對于攪拌污水箱的處理污水能力影響至關重要，尤其是微生物污水處理系統，良好的混合可以為微生物提供充足的氣含率，提高污水的處理能力。但經常會遇到由于攪拌漿選型和布置不合理而導致污水處理箱內死水區和污泥沉淀等問題，同時在污水處理過程中，經常會引起氣泛的問題。通過合理設計攪拌器的布置、優化攪拌器的組合等，可以有效控制流動狀態，避免池中的死水區和改善污泥沉淀等現象，從而提高系統整體的污水處理能力、降低系統能量消耗。如果使用傳統的實驗的方法，將會需要大量的人力與時間，計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)的出現改變了這種方式，近年來已經廣泛地應用與污水處理領域[1～3]。本文采用CFD方法模擬研究了全尺寸污水處理箱的流場分布特性，分析了攪拌漿在不同組合下的混合傳質能力。

2 材料與方法

2.1 CFD研究概況

Computational Fluid Dynamics(簡稱 CFD)是計算流體動力學的簡稱，是用離散化的數值方法及電子計算機對流體無粘繞流和粘性流動進行數值模擬和分析的學科，計算力學的一個分支。無粘繞流包括低速流、跨聲速流、超聲速流等，粘性流動包括湍流、邊界層流動等。計算流體力學是為彌補理論分析方法的不足而于20世紀60年代發展起來的，并相應地形成了各種數值解法。主要包括有限體積法、有限差分法和有限元法。其中有限體積法應用最為廣泛，特別是在商用軟件和研究用程序中最為常見。近幾年，隨著商業CFD軟件的發展，簡單的操作平臺和友好的用戶界面使得CFD的應用更加普及，其應用領域愈加廣泛，比如水力、電力、環保、冶金以及生物化工等。

2.2 通用CFD軟件的構成

CFD軟件基本由3部分組成：前處理、解算器和后處理。常用通用的 CFD軟件有：FLUENT、CFX、STAR－CD、PHOENICS等。本文中使用 CFX軟件，CFX還是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業通用CFD軟件，是英國AEA Technology公司為解決其在科技咨詢服務中遇到的工業實際問題而開發，誕生在工業應用背景中的CFX一直將準確的計算結果、豐富的物理數學模型、強大的用戶擴展性應用作為其發展的基本要求，并以其在這些方面的優越成就，引領著CFD技術的不斷發展。

2.3 研究方法

本文的計算采用的是有限體積法，對方程組的求解一般采用TDMA算法，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法。采用非結構化網格，網格的劃分采用的軟件為ANSYS ICEM CFD，網格采用四面體網格。

3 結果與分析

3.1 污水厭氧處理箱罐頂進式攪拌器參數

防水厭氧處理箱罐頂進式攪拌器參數見表1。

表1 污水厭氧處理箱罐頂進式攪拌器參數

4.2 軸截面/mm Φ200/273×24 4.3 葉輪材質 碳鋼襯丁基膠4.4 葉輪型式 三層斜葉/二層斜葉一層直葉4.5 葉輪直徑/mm 5000 4.6 轉速/(r/min) 26 4.7 葉端線速度/(m/s) 6.81 4.8 懸臂長度/mm 700/19500

3.2 污水厭氧處理箱模擬結果

3.2.1 不同形式攪拌槳組合速度場分析

圖1是污水處理箱3種不同的速度場分布圖，從上至下組合依次為三層斜葉、二層斜葉一直葉及三層斜葉箱壁帶擋板。

圖1 污水處理箱的速度場分布參數圖

速度矢量場分析：氣含率、剪切應力、湍動能的分布都跟流體的速度和流向有著密切的關系，從圖1可以看出，整個三層斜葉組合的速度矢量的分布是兩個規則的大循環，液體沿著箱壁往下流動，沿著攪拌軸網上流動，整個流場速度矢量分布很規則，上下的液體能得到很好的混合，但是從速度矢量的大小分布來看，箱體壁和軸之間的速度矢量很大，軸和箱體壁之間的距離則太小，這對于液體較大量的箱體中間部分的混合是不利的。因此也可以得出全部使用軸向組合的攪拌槳不配其他條件對混合是不利的。

從圖1中間的二層斜葉一直葉攪拌槳的組合可以看出，整個速度矢量場的分布是極不均勻的，分層現象比較嚴重，液體從上部沿著箱壁下來以后就不往上運動，說明了這樣是不利于液體的上下混合的，這將導致上部和下部氣含率的分布不均勻。另外從速度矢量的大小也可以看出，相對于三斜葉的組合，底部液體的徑向混合更好，中部液體的混合也更加均勻，但是徑向混合就比較差。

圖1下方的污水處理箱速度矢量場可以看出，相對于前兩種組合，箱壁加了擋板以后，速度矢量場的大小分布整體比較均一，這說明了增加了擋板以后，整個污水處理箱的徑向流加強，較大的徑向速度使得液體的徑向混合更加強烈。整體上看，污水處理箱也是形成了兩個大的上下循環，因為擋板的作用兩個循環影響到的中間液體的流動，因此整個流場分布更加均一。

3.2.2 不同形式攪拌槳組合剪切應率場分析

圖2為污水處理箱3種不同的剪切應率場分布圖，從上至下組合依次為三層斜葉、二層斜葉一直葉及三層斜葉箱壁帶擋板。

從圖2最上邊的剪切應率分布圖可以看出，整個三層斜葉組合的剪切應率的分布是3個攪拌槳附近極大，達到46 s－1以上，但是污水處理箱的軸兩側以及底部的剪切應率非常小，箱體壁附近是1 s－1左右，箱體底部許多地方甚至達不到0.1 s－1，因為液體的剪切應率的大小跟液體的流動是正相關的，說明了這幾個地方的液體流動混合較弱，這和上面分析的速度場分布是一致的。這種剪切應率分布對混合是不利的。

從圖2中間的二層斜葉一直葉攪拌槳的組合可以看出，整個剪切應率場的分布是相對于三斜葉分布均勻一些，但是從整個箱體來看漿區附近還是過大，相反漿區和箱體中間有明顯的剪切應率比較弱的地方。這跟前面的徑向流增加，但是軸向流減弱是相關的。

圖2下方的污水處理箱剪切應率分布場可以看出，相對于前兩種組合，三層斜葉并且箱壁加了擋板以后，剪切應率的分布整體比較均一，整個箱體的流動混合相比前面兩種形式的攪拌槳組合更高效率。

3.2.3 不同形式攪拌槳組合湍動能場分析

從前面的速度矢量場和剪切應率場可以看出，相對于單純的三斜葉攪拌槳組合或者兩個斜葉攪拌槳組合配上底部一個直葉漿組合，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合混合效果更佳，從圖3中的湍動能分布場看更加明顯，湍動能反映了湍流渦漩的尺度，其大小對混合的程度有重要的影響，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合的湍動能分布最均勻，這和上面的分析是對應的。以上分析可以看出三斜葉槳以及箱體加上擋板組合形式對于攪拌式污水處理箱效果是最好的。

圖2 污水處理箱的剪切應率場分布參數圖

4 結語

本論文旨在通過對污水處理箱的CFD模擬的方法研究對應，進一步分析總結出攪拌槳形式對污水處理箱內部流場的影響，為污水處理箱設計過程優化和放大提供新的方法。

因此本文得出以下結論：CFD能很好地模擬出污水處理箱的流場，能在環保其他領域上有較大應用;CFD技術不僅可以預測不同攪拌漿組合所產生的流場，還可以預測污水池中每個攪拌器的合理安裝位置，污水處理箱的設計會更加快速、經濟;相對于單純的三斜葉攪拌槳以及兩個斜葉一個直葉的攪拌槳組合，三斜葉槳以及箱體加上擋板組合形式對于攪拌式污水處理箱效果是最好的。

圖3 水處理箱的湍動能場分布參數圖

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