气泡浮力羽流动力特性三维数值模拟研究

【目的】研究曝气池中气泡浮力羽流的动力特性,为提高深层曝气方式的污水处理效率提供依据。【方法】分别采用欧拉双流体模型和混合模型结合标准κ-ε紊流模型,对气泡浮力羽流进行数值模拟,讨论了这2种模型计算流场的精确性和边界条件的适应性,并使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with splitting of operators)算法进行了速度与压力耦合求解。【结果】通过模拟得到了气泡羽流的瞬时性及其尾部的摆动规律等流动特性,模拟的速度矢量沿水深方向呈增加趋势,但表现并不稳定,在上部区域气泡羽流出现了摆动,而在下部区域气泡羽流的摆动不明显,但这一部分的速度相对较大。【结论】欧拉双流体模型结合标准κ-ε紊流模型模拟气泡浮力羽流动力特性优于混合模型。     

双曲线型薄壁堰泄流规律的数值模拟

【目的】推求双曲线型薄壁堰堰流的基本方程式,确定双曲线型薄壁堰的流量系数,为实际工程中流量的控制和测量提供参考。【方法】根据双曲线构建了双曲线型薄壁堰,通过能量方程式推导其流量的计算公式;数值模拟了4种不同堰顶水头的过流能力,根据模拟的流量数据利用最小二乘法拟合流量与堰顶水头的关系式,与理论推求的堰流基本公式相结合确定双曲线型薄壁堰的流量系数,辅以RNGk-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程;使用半隐式SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解速度与压力耦合方程组,并用VOF(Volume of fluid)法模拟自由水面。【结果】理论公式计算的流量与数值模拟的流量相差甚微,相对误差在0.3%以内,证明本研究推求公式正确。【结论】双曲线型薄壁堰的流量与堰顶水头成正比关系,该关系为流量的控制和测量提供了便利。     

氧化沟推流转轮半径对水流回流区长度影响的数值模拟

【目的】研究氧化沟推流转轮半径对氧化沟内流场回流长度的影响,为氧化沟工艺设计提供理论依据。【方法】采用气液两相流混合模型,并选取Realizable k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对氧化沟水力特性进行三维数值模拟,使用压力隐式算子分裂(Pressure-Implicit with Splitting of Operators,PISO)算法对速度与压力耦合进行求解,并采用VOF(Volume of Fluid)法对自由水面进行模拟。【结果】数值模拟得到了氧化沟推流转轮半径与水流回流区长度的关系表达式,表明回流区长度和直道段长度之比与叶轮半径和小弯道半径之比呈直线关系,并通过量纲分析法对其进行了进一步验证。【结论】氧化沟水下推流转轮是水流运动的最主要动力来源,转轮半径的大小对沟道内水流的流速以及流场结构有重要影响。     

挡板长度对辐流式沉淀池流场与污泥浓度场影响的数值模拟

【目的】研究进水口处垂直挡板长度对沉淀池内速度场和污泥质量浓度场分布的影响,为实际工程中沉淀池的优化设计提供参考。【方法】采用简化的多相流混合(Mixture)模型,对辐流式沉淀池内液固两相流水力特性进行二维数值模拟,选取RNGk-ε紊流模型封闭时均流方程,采用有限体积法对微分方程进行离散,使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法进行速度与压力耦合求解。然后设初始时刻沉淀池内为清水,进水为含一定质量浓度污泥的污水,在此条件下模拟并分析不同挡板长度时2个模型沉淀池内速度场和污泥质量浓度场的变化规律。【结果】沉淀池内有1个大回流区和2个小回流区,长挡板模型的回流区比短档板模型小;沉淀池内污泥分布呈现分层现象,且长挡板模型内污泥到达出口的时间比短档板模型长;长挡板模型的小流速区域比短档板模型大,更有利于污泥的沉降。【结论】辐流式沉淀池进口处设置长挡板有利于提高沉淀池的运行效率。     

弯道导流墙对氧化沟水力特性影响的数值模拟

【目的】对两沟道氧化沟内水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙后沟内的流场及流速分布进行研究,以期提高沟内水流混合能力并降低能耗。【方法】在试验模型右侧增设弯道导流墙,并采用数值计算的方法求解气-液两相流时均方程,紊流模型采用RNG模型,自由水面捕捉采用VOF(Volume of fluid)法,速度与压力耦合方程组求解时使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,对氧化沟内的流场及流速分布进行模拟研究。【结果】数值模拟表明,在水下推动器、曝气转盘同时运行时增设弯道导流墙后,氧化沟内的流场及流速分布更加均匀,整个氧化沟内流速大于0.3m/s的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%,显著提高了氧化沟内的流速。【结论】水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙能够明显改善氧化沟内流场及流速的分布,可以提高沟内整体流速,防止或减少沟内污泥沉积。