新型水處理器的水模實(shí)驗(yàn)和CPFD模擬研究

王淑嬋，姚 心，呂 東，孫寧磊，曹 敏，張立棟

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 背景

針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和污水處理的進(jìn)水量大、進(jìn)水固含低、流速快等特點(diǎn)，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司進(jìn)行設(shè)計(jì)及搭建集過(guò)濾和濃縮于一體的新型水處理器實(shí)驗(yàn)裝置[1-2]。既能起到懸浮物過(guò)濾作用，同時(shí)又使懸浮物得到濃縮后回收；進(jìn)而從某種程度上緩解了沉淀池和濃縮池的占地面積大、投資成本高和運(yùn)行管理費(fèi)用高等問(wèn)題。而且該技術(shù)裝置的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和污水處理運(yùn)行過(guò)程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

但新型水處理器的設(shè)計(jì)放大僅憑使用者經(jīng)驗(yàn)，本文則通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究，并為工業(yè)化設(shè)備選型和工藝操作提供理論參考[3]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

本實(shí)驗(yàn)采用偃師試驗(yàn)基地已有的紅土鎳礦作為過(guò)濾原料，加入配備有攪拌器的給料槽。視實(shí)驗(yàn)情況加入絮凝劑溶液。經(jīng)定量泵的實(shí)驗(yàn)原液流入水處理器，在進(jìn)料管道上安裝有玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，可通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)濾器進(jìn)口閥門(mén)的開(kāi)度對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。新型水處理器使用的過(guò)濾材料為某種特制的泡沫微珠，其上方裝有濾網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行攔截。進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn)時(shí)，為防止激光反射，使用黑色膠帶遮擋泡沫微珠層。

新型水處理器簡(jiǎn)化模型如圖1所示。以進(jìn)料流量30 L/h計(jì)算，進(jìn)水流速為0.054 2 m/s，通過(guò)顆粒層的水流速度是0.001 1 m/s。礦漿顆粒為紅土礦，實(shí)驗(yàn)原液含固量為100×10-6mg/L，固體顆粒粒徑小于10 μm，自測(cè)其密度為2 588.5 kg/m3。

圖1 顆粒床簡(jiǎn)化模型圖

PIV技術(shù)是一種隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)非接觸式測(cè)量流場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于流場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的無(wú)干擾、非插入、非接觸測(cè)量且具有較高精度，非常適合流化床內(nèi)顆粒流動(dòng)特性的研究[4]。

本文采用常見(jiàn)的聚苯乙烯粉末作為測(cè)量流體流場(chǎng)的示蹤粒子，并用PIV測(cè)量的速度矢量場(chǎng)對(duì)水處理器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到顆粒層激光打不透并產(chǎn)生反射，本次PIV測(cè)量區(qū)域限制在泡沫微珠顆粒層以下部分。

2 數(shù)學(xué)模型與方法

所謂CPFD方法，從本質(zhì)上是一種基于multiphase particle-in-cell方式的數(shù)值計(jì)算方法，能夠在三維空間內(nèi)耦合求解流體和大量顆粒的動(dòng)量方程。其中，流體相利用Eulerian方法處理，動(dòng)量方程用Navier-Stokes方程表示，而顆粒相則用Lagrangian方法處理并與流體相方程相耦合。本方法將具有相同屬性的顆粒打包為計(jì)算顆粒提高效率，首先通過(guò)相間插值算子將顆粒信息映射到歐拉體系，運(yùn)用顆粒應(yīng)力方程在Eulerian體系下計(jì)算顆粒間作用，計(jì)算曳力并映射回Lagrangian體系，最后在Lagrangian體系下求解計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)[5-6]。

采用solidworks建模，并使用CPFD自帶的笛卡爾網(wǎng)格劃分方法生成中等精度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)445 842個(gè)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)均設(shè)定為0.01 s。

因?yàn)V網(wǎng)模型占用內(nèi)存極大，影響計(jì)算速度，因此進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在三維模型原濾網(wǎng)處進(jìn)行5 mm厚的切除，模型因此被分割成2個(gè)實(shí)體，導(dǎo)入Barrucuda軟件后，再采用邊界連接器(BC Connector Editor)方式連通。

顆粒曳力模型選用Wen-Yu/Ergun模型。其他模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)表

3 結(jié)果與討論

3.1 物性參數(shù)測(cè)量結(jié)果

采用激光粒度儀測(cè)得未絮凝礦漿粒度分布如圖2所示，D50為4.004 μm，該分析報(bào)告與實(shí)際基本相符。

圖2 礦漿顆粒未絮凝時(shí)粒度分析報(bào)告圖

圖3所測(cè)D50粒徑為5.546 μm，僅比未絮凝時(shí)平均粒徑增大1 μm，分析認(rèn)為激光粒度儀測(cè)量時(shí)采用的超聲將絮凝的礦漿顆粒打撒，與實(shí)際絮凝后的粒徑不符，將超聲關(guān)閉后重測(cè)。

圖3 礦漿顆粒絮凝后粒度分析報(bào)告圖

圖4所測(cè)D50粒徑為15.43 μm，顆粒粒徑增大明顯，可為絮凝效果提供參考。將圖2和圖4所測(cè)顆粒及其粒徑作為水模實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原料和數(shù)值模擬的初始條件參數(shù)。

圖4 礦漿顆粒絮凝后粒度分析報(bào)告(未加超聲)圖

3.2 PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是流體速度矢量場(chǎng)的PIV結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比，近壁區(qū)由于折射造成PIV實(shí)驗(yàn)流速偏大，但水模實(shí)驗(yàn)有力的證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。下方進(jìn)口的水以較大流速?zèng)_入反應(yīng)器向下流動(dòng)，沖入一定高度后受到慣性阻力，開(kāi)始沿側(cè)壁向上流動(dòng)，形成沿側(cè)壁流動(dòng)的回流。

圖5 流體速度矢量場(chǎng)的PIV結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖6不同時(shí)間下的新型水處理器的數(shù)值仿真結(jié)果看出，在進(jìn)口流速的帶動(dòng)下，大顆粒由于慣性作用自上向下運(yùn)動(dòng)；小顆粒更容易受渦流作用產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)，小顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡基本與反應(yīng)器內(nèi)水的流動(dòng)方向保持一致。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，60 s后進(jìn)水管上方發(fā)現(xiàn)顆粒的上浮，這與水模實(shí)驗(yàn)所見(jiàn)情況一致。

圖6 新型水處理器的數(shù)值仿真結(jié)果

顆粒隨液體進(jìn)入水處理器，由于液流和顆粒自身重力的作用獲得了較大的加速度，開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，隨著流化的進(jìn)行，顆粒在重力和曳力的共同作用下，速度逐漸增加。當(dāng)向下運(yùn)動(dòng)到一定高度時(shí)，顆粒由于受到水處理器下部液體的浮力作用開(kāi)始向床層兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到達(dá)壁面附近時(shí)，顆粒開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)。從而形成了水處理器中心區(qū)域顆粒向下流動(dòng)、壁面區(qū)域顆粒向上流動(dòng)的循環(huán)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

整體而言，顆粒所受的曳力與粒徑的平方成正比，顆粒的重力卻與粒徑的3次方成正比。當(dāng)顆粒粒徑減小的時(shí)候，重力減小的速度遠(yuǎn)大于曳力減小的速度，小顆粒的曳力會(huì)大于重力，所以小顆粒會(huì)更加容易的往上部運(yùn)動(dòng)。

180 s后大部分顆粒在反應(yīng)器底部沉積，少部分顆粒被泡沫微珠顆粒層阻截，新型水處理器過(guò)濾效果良好。

4 結(jié)論

本文針對(duì)新型水處理器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量、水模實(shí)驗(yàn)和CPFD模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1)未絮凝礦漿粒度D50為4.004 μm，加入絮凝劑礦漿粒度D50增長(zhǎng)為15.43 μm，增大的礦漿粒度可更有效被泡沫微珠攔截；

(2)PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，水以較大流速進(jìn)入反應(yīng)器向下流動(dòng)，沖入一定高度后受到慣性阻力，開(kāi)始沿側(cè)壁向上流動(dòng)，形成沿側(cè)壁流動(dòng)的回流；

(3)由CPFD模擬仿真結(jié)果可知，大部分顆粒在反應(yīng)器底部沉積，少部分顆粒被泡沫微珠顆粒層阻截，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況一致。