基于CFD之四边形内往复流化床力学性质分析及其性能优化研究,流体力学论文

第一章  绪论

人类和水的关系十分密切，不论是生活或生产活动都离不开这一宝贵自然资源。我国的水资源总量丰富，2010 年全年水资源总量达 28470 亿 m3。我国万元国内生产总值用水量为190.6 m3，生产工艺的相对落后和人们节约水的意识薄弱，造成了水质量恶化。2012 年环境统计年报指出：全国废水排水总量 684.8 亿 t，其中工业废水排放量 221.6亿t，生活污水排放量462.7亿t；化学需氧量排放2423.7万t，氨氮排放量253.6万 t[1]。此外，包括了多氯联苯（PCBs），多环芳烃（PAHs）等持久性难降解有机污染物（POPs）也是造成水环境污染严重的一个重要方面。处理上述各种（污）废水中的污染物，使其归一化为无害物质如 CO2和 H2O 的过程技术仍然是以生物方法为主体，同时也是应用得最广泛的（污）废水处理方法。在生物处理中，废水中的有机物一部分被微生物吸收并分解成简单无机物，同时放出能量，作为微生物自身生命活动的能源。另一部分有机物则作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生质。生物质在反应器内更新、成长、老化，，不断循环，污泥负荷以及微生物的生长曲线相对稳定，停留时间也是固定的。在这过程中，一方面基于对原水水质的全面了解，包括污染物组成和数量，适应水质水量的变化，工艺流程得以确定；另一方面，（污）废水生物处理过程中发生生化反应的构筑物称为反应器，可按操作方式和物料的流态方式的不同进行分类，除了配合工艺要求外，每种反应器的设计都可从流体力学、传质与传热和反应动力学等方面进行优化。
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第二章  CFD基础理论及其模型概述

2.1 计算流体力学基础理论
利用有限差分法生成网格，并用数值工具代替具连续性的偏微分方程后，我们将选用某种方法并使用上述数值工具求解给定问题。这些方法可归纳成两类——显式方法和隐式方法。显式方法是每个差分方程只含有一个未知数，所以可用直接计算的方法显式求解这个未知数；而隐式方法就是针对网格点上的差分方程在时间和空间不是独立的情况，必须要形成一个代数方程组同时求解。相比显式方法而言，隐式方法比较复杂，然而，它们中一个重要的区别限制了20 世界80 年代时显式方法的使用。那就是在求解非定常问题上，差分方程中的?x 一旦确定了，?t则受到稳定性条件的限制，其值必须足够小以保持稳定性，这样会使钟面计算时间大幅度延长。相反，隐式方法没有稳定性限制，可取用比显式方法大得多的?t ，故在计算给定的时间变量时，尽管隐式方法的计算复杂，但所用的时间步数比显式方法少得多，所以总的运行时间反而更少。

2.2 CFD基础模型概述
运用三维非稳态Navier-Stokes方程对流动进行直接数值计算时，需要采用很小的时间步长和网格才能分辨出湍流中变化剧烈的时空特征。目前处理湍流数值计算有三种方法，分别是雷诺平均N-S（RANS）方法、大涡模拟（LES）方法和直接数值模拟（DNS）方法。目前唯一能用在实际工程上的是RANS 方法，该方法将湍流的瞬间运动分解为脉动运动和平动运动，然后把前者对后者的贡献用雷诺应力项来模化。这种方法将Navier-Stokes 方程对时间进行平均后，得到的关于时均物理量的控制方程包含未知量，无法直接求解，要使方程封闭，通过引入湍流模型来实现。湍流模型就是把未知的更高阶的时间平均值表示为较低阶的计算中可确定的量的函数。

第三章 底隙十字挡板对四边形流化床流体力学性能优化数值模拟 ........................ 22

3.1 前言 ......................................... 22

3.2 模型建立 ................................22

第四章 十字形与漏斗型内构件耦合强化四边形流化床流体力学性能模拟研究 .... 34

4.1 前言 ............................34

4.2 模型建立 .....................................5

第五章 基于污废水处理的四边形流化床结构参数反馈数值模拟 ............................ 45

5.1 前言 ............................. 45

5.2 模型建立 ............................ 46

第五章  基于污废水处理的四边形流化床结构参数反馈数值模拟

5.1 前言
经过文献调研，研究者较多利用 CFD 工具对反应器进行二维模拟，这样可以节省计算机资源与时间成本，但对流体在三维空间特定局部的流动行为缺乏全面了解，事实上，也有研究表明[91]，二维平面模拟与实验结果存在不如理想的偏差。对比起圆柱形流化床，四边形流化床的建造难度和成本低，增容潜力大，有利于大型工程化，已经在本课题组主持的数十个废水工程上应用，并运行良好。借助三维数值模拟，对四边形流化床进行结构优化，进一步为四边形流化床寻找降低能耗，提高效能的指引。本章选取了文献中综述影响含导流筒（或导流板）的气升式反应器性能的三类结构参数，分别是导流筒与反应器的边长比、导流筒与底部距离和导流筒与液面距离，以气含率、液体循环速度等流体力学性能指标为主要评价手段，为揭示四边形流化床从中试向工业放大迈进方向的可视化与智能化提供捷径。 

5.2 模型建立
运用SIMPLE算法求解速度压力耦合方程。一阶迎风格式用作动量、湍动能和湍流耗散率的离散格式，QUICK 格式用作体积分数的离散格式，同时，使用 Fluent 默认的松弛因子。本章研究模拟非稳态过程，采用0.003 s 的时间步长，每个时间步迭代50 次。所有变量的收敛标准残差值设为 1×10-3，计算收敛且进出口流量和监测面的液体循环速度和气含率波动在5%之内则认为达到稳态，停止迭代计算。 所有计算采用并行计算，在 Intel Core i7 3.5GHz 四核CPU，16GB内存的计算机上进行。每个数据的计算时间约为150 h。
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结论与展望

（1）针对四边形内循环流化床内气液两相流动，在 Gambit 软件构建三维模型的基础上，利用Fluent软件Eulerian-Eulerian双流体模型通过可视化功能描述床内复杂流动特征，解析反应器流场微观结构。研究结果表明数值模拟手段可作为指导废水处理生物反应器进步方向的工具，并指导其工业设计与应用。 （2）底隙区置入十字挡板的整流作用可明显降低流体在流化床底部非弹性碰撞而造成的水头损失，使四边形流化床内上升区和下降区液体循环速度最大提升了 15.7%和15.0%。内构件能使流化床内液体循环速度在上升区截面较均匀分布，令其峰值最大下降24.1%。在模拟好氧处理工况条件下，此内构件降低系统能耗作用更佳，湍流动能耗散率下降31.9%。数值解析表明基于污（废）水处理对反应器流体力学性能的要求，底隙十字挡板实现了对四边形流化床水力条件和系统能耗的优化。
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参考文献（略）