氧化沟流场和溶解氧CFD模拟研究

【摘要】： 氧化沟工艺具有出水优良、抗冲击负荷能力强、运行管理简单等优点,在我国城市污水处理系统中得到了广泛的应用。氧化沟工艺存在的主要问题是容易产生污泥沉积、运行能耗有待进一步降低,这两个问题与氧化沟内流场的分布是密切相关的,因此,对氧化沟内流场分布的研究十分必要。运用数值模拟方法对流场进行分析,既能节省大量经济成本,又可以模拟实际工程中无法实现的工艺情况,不仅在理论设计上具有重大的参考意义,而且在实际应用中有很大的指导意义。 本文中利用滑移壁面模型和风扇模型,采用FLUENT软件分别实现了对氧化沟内动力来源——曝气转碟和水下推进器的模拟,最终实现对氧化沟内混合液流场分布的模拟。 滑移壁面模型将转碟简化为无厚度的圆盘,通过定义碟片的运动类型、运动速度、转轴起点、转轴方向、粗糙常数、粗糙高度等参数,实现曝气转碟对氧化沟内混合液的推动作用。未知参数中最关键的参数就是转碟的碟片粗糙高度,分别选择0.010m、0.015m、0.020m三个值代入模拟,并与平顶山污水厂氧化沟内混合液实测流速进行对比,确定的最佳的碟片粗糙高度为0.020m。 风扇模型将水下推进器盘面简化为一个无限薄的面,压强经过这个面时出现一个跃升值,使得盘面前后产生一定的压力差,产生轴向推力,使混合液获得轴向速度。压强跃升值可以根据水下推进器电机功率PM、水下推进器盘面直径A0、均匀来流速度VA和氧化沟内混合液密度ρ计算得出。风扇模型通过定义水下推进器盘面的反向方向、区域平均方向、压强跃升值等参数,实现水下推进器对氧化沟内混合液的推动作用。 分别模拟了只开启六台曝气转碟、只开启六台水下推进器、六台曝气转碟和六台水下推进器同时开启三种工况下平顶山污水厂氧化沟内混合液的流场分布。 模拟数据与实测数据进行对比,两者的流场分布趋势吻合良好,但部分位置模拟流速比实测流速偏小。这与本文中确定转碟碟片壁面粗糙度时是采用带入检验法有一定的关系,如果能找出壁面粗糙度的理论计算方法,将能减小这一误差。 对不同工况下的模拟数据进行了分析,发现曝气转碟除了能起到导入溶解氧的作用外,其对混合液的推流作用也是不能忽略的。水下推进器对局部混合液的推流作用非常明显,其推流作用优于曝气转碟。曝气转碟后导流板的存在,不仅有利于曝气转碟的推流功率得到更合理的利用,也在一定程度上提高水下推进器的推流效果。 另外,本文利用组分模型实现了对溶解氧输运的模拟。为了简化模型,本实验中氧化沟溶解氧输运的模拟只选取一个典型直沟段进行模拟,这一典型直沟段包括好氧区和缺氧区两部分,最终给出了溶解氧在氧化沟中传播过程的简单示意。溶解氧的模拟工作还有待进一步深入研究。 【关键词】：氧化沟 流场模拟 滑移壁面模型 风扇模型 计算流体动力学
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 课题来源10
• 1.2 我国水污染现状及污水处理技术高能耗现状10-11
• 1.3 氧化沟工艺的基本情况11-15
• 1.4 计算流体动力学简介15-16
• 1.5 CFD 软件在氧化沟流场研究中的应用16-19
• 1.6 CFD 软件在氧化沟溶解氧分布研究中的应用19-20
• 1.7 本课题的主要研究内容20-22
• 2 模拟所依托实际工程及研究方案22-28
• 2.1 模拟的氧化沟实际工程概述22-24
• 2.2 流场分布模拟方案24-25
• 2.3 溶解氧输运模拟方案25
• 2.4 流场和溶解氧分布实测方案25-28
• 3 氧化沟数学模型的建立28-32
• 3.1 几何模型的建立28-29
• 3.2 网格的划分29-30
• 3.3 湍流模型的选择30-32
• 4 氧化沟内曝气转碟的模拟32-45
• 4.1 曝气转碟的模拟实现方法改进32-35
• 4.2 工况Ⅰ氧化沟内混合液流场的模拟定义35-37
• 4.3 工况Ⅰ模拟数据与实测数据的对比37-41
• 4.4 工况Ⅰ碟片粗糙高度设置为0.020M 时流场模拟结果分析41-43
• 4.5 本章小结43-45
• 5 氧化沟内水下推进器的模拟45-55
• 5.1 水下推进器的模拟实现方法研究45-47
• 5.2 工况Ⅱ氧化沟内混合液流场的模拟定义47-49
• 5.3 工况Ⅱ模拟数据与实测数据的对比49-51
• 5.4 工况Ⅱ流场模拟结果分析51-53
• 5.5 本章小结53-55
• 6 转碟和水下推进器同时开启时流场的模拟55-61
• 6.1 工况Ⅲ氧化沟内混合液流场的模拟定义55
• 6.2 工况Ⅲ流场模拟结果分析55-59
• 6.3 能耗优化配置建议59
• 6.4 本章小结59-61
• 7 氧化沟溶解氧输运的模拟61-72
• 7.1 溶解氧输运模拟的实现方案61-62
• 7.2 不同工况下的溶解氧输运模拟62-71
• 7.3 本章小结71-72
• 8 结论及建议72-75
• 8.1 结论72-73
• 8.2 建议73-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-81
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文81-82
• 附录2 本文主要符号表82-83
• 附录3 实测流速和溶解氧表83-84

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