計算流體力學在ABR反應器中的應用

摘 要：利用流體力學技術是污水處理反應器研究的一個重要發展方向，其中ABR反應器是厭氧反應器中的常見反應器。通過分析ABR反應器，運用流體力學技術，測試不同的網格劃分密度和流動模型，將ABR反應器的水力學特性與上升流態用計算機展現出來，在確定反應器結構尺寸和操作參數上進行水力學行為預測。

關鍵詞：計算流體力學；ABR反應器；應用

引言

計算流體力學（CFD）是以離散數學的思維方式，在計算機上使用離散數值方法，設定控制方程并進行求解，計算和預測連續動態流體的技術，是本世紀流體力學領域的重點發展方向之一。在污水處理工程中，任何反應器都需要通過實驗的方法來確定反應器的最佳流態，采用CFD技術，開展ABR處理廢水的水力學特性研究，為工業企業水污染防治和管理的實際工程應用提供嶄新的應用基礎研究理論依據與技術平臺。下面將針對ABR反應器，包括清水單相及泥水混合液（生物氣、液、固）三相的情況，在生態因子不同的條件下，模擬和比較ABR內部的水力學特性，從而對ABR處理廢水的水力學特性和生態因子耦合機制的進行整合優化，其目的是在工業生產中達到最佳效能。

1 流體力學在ABR反應器中的應用現狀

CFD 的應用已遍及各個與流動相關的行業和領域，但在水處理領域的應用起步較晚。模擬生化處理構筑物既要考慮流態，又要考慮生化反應過程。所以對于生化處理構筑物的模擬，主要分為兩個層面：①對于生化反應過程的模擬，主要采用數學模型；②對于物理過程的模擬，主要采用流體力學模型。嚴格意義上來講，CFD 模型更偏向于模擬物理過程，但是也可以和生化反應過程有機結合起來。國外的研究主要將生化反應數學模型和 CFD 模型相結合，針對生化反應的機理建立基于水流流動、傳質過程及環境影響等方面的模型，模擬的目標多為考察生化指標的分布和去除[1]；國內的研究主要是從構筑物內部的水力特性出發，考察池內流場、污泥分布等，或通過改變構筑物結構、運行條件，提出設計、運行的優化方案。

2 流體力學在ABR反應器的離散化處理

CFD最核心的思想是在計算機上用離散的方式把連續流體處理成單獨的個體。比較知名的有平滑粒子流體力學，求解流體問題的拉格朗日方法、把方程映射到像球諧函數和切比雪夫多項式等正交函數上的技術或者利用格子波爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Methods）。但是根據最基本的思想，最好的方法還是把空間區域離散化，使連續的流體變成小個體并有獨立空間，這樣就形成了一個立體網格或者空間點，這樣的立體網格可以不規則，每個立體網格必須單獨存儲在內存中，如果反應器中的流體是高度動態的并且在速度高、跨越尺度大，立體網格本身應該可以隨時間調整， 自適應網格細化方法。對于ABR反應器選擇非結構化四面體網格生成方法，這樣的每個網格都由兩個三角面構成，能夠較容易的處理復雜的結構，尤其對于反應器的入口和出口處。其收斂性好，對反應器的入口部分、出口部分、折流板部分分別建模并生成網格，域邊界采用液-液界面。

其中A是控制元表面積，也就是ABR反應器的內表面積。V是控制體積元體積，也就是ABR反應器的體積。Q是被守恒的變量的矢量，而F是通量的矢量。通過公式（1）得知，如果能求得反應器的內表面積和液體的體積，可以達到離散化的目的。

在生成反應器的立體網格時，還要通過調整參數對網格進行重新構造，可以采用局部網格增加細分的方法，對計算區域中的入口和出口位置附近增加網格數。在湍流問題的數值模擬計算中，網格數較密的區域精度就會更高。

3 流體力學在ABR反應器的流動模型

當立體網格確定后，選用已有的算法來解運動方程。如果考慮反應器內的清水單相運行情況，就選擇歐拉方程，如果考慮污泥和清水混合后的兩相運行情況[3]，可以選納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）。由于ABR反應器中泥水物的水力學流態最為重要，并考慮了流體環流速度在垂直方向上的變化。如果想獲得二維的速度場、壓力場和剪應力場，那么就必須利用粘性流體運動的基本方程，這是一個復雜的二階非線性偏微分方程，運算很復雜，而且也未必能比簡單的一維速度場等更準確[4]。目前廣泛應用的是Launder和Spalding提出的標準k-ε模型，這種模型是目前帶有液態反應器流場模擬中應用最廣泛的渦粘性湍流模型。它的組成包括兩個部分：湍流動能k、湍流耗散率ε的傳輸方程[5]。為了提高標準k在生成反應器的立體網格時，還要通過調整參數對網格進行重新構造，可以采用局部網格增加細分的方法，對計算區域中的入口和出口位置附近增加網格數。在湍流問題的數值模擬計算中，網格數較密的區域精度就會更高。

3 流體力學在ABR反應器的流動模型

4 結束語

以采用CFD技術為基礎，用專用的流體流動模型開展ABR處理廢水的水力學特性建模研究，并對反應器中流體的實際流動進行計算，通過多種測試手段（如示蹤粒子等）來驗證，得到有準確的CFD計算模型，對ABR反應器的水力學特性和生態因子耦合機制的進行整合優化，以求達到最佳效能；獲得ABR最佳構型；預測ABR反應器在運行過程中可能存在的運行風險，并提出風險防范對策或應急解決方案。反應器進水的有機物含量，顆粒污泥的生長環境條件是否能在污水中得到滿足至關重要。通過改變反應器內的水力學特性，完善混合條件使得污水可以滿足相應的條件。對于改變水力學特性來說，就要對反應器進行調整和設計，水力參數的選擇以及反應器沉淀部分流態的控制，都可以通過流體力學來模擬實驗，這樣可以用最小的成本避免不良的水力學流態，避免厭氧菌產甲烷活性的降低，避免污泥菌群的流失，最大限度的發揮反應器效能。實驗證明 CFD在污水處理研究過程中起到十分重要的作用。

參考文獻

[1]Garcia-Calvo E，Rodriguez A，Prados A，Klein J1A fluid dynamic model for three-phase airlift reactors[J]. Chemical Engineering Science，1999，54：2 359～2 370.

[2]B. Cockbom，and C. W. Shu.TVB Runge-Kutta local project discontinuous Galerkin finite element method for scalar conservation laws ii. General framework，math. Comp.1989

[3]張遠君.兩相流體動力學[M].北京：北京航空學院出版社，1987.

[5]Jenne M. and Reuss M. A critical assessment on the use of k-ε turbulence models for simulation of the turbulent liquid flow induced by a Rushton-turbine in baffled stirred-tank reactors. Chem. Eng. Sci. 1999，54（17）：3921～3941

[6]Chen Y S，Kim S W. Computation of turbulent flows using an extendedk-Eturbulence closure model[R]. NASA CR-179204，1987.

作者簡介：孫浩鵬（1975-），男（漢），吉林長春人，講師，主要研究：計算機應用。