計(jì)算流體力學(xué)在ABR反應(yīng)器中的應(yīng)用

摘 要：利用流體力學(xué)技術(shù)是污水處理反應(yīng)器研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，其中ABR反應(yīng)器是厭氧反應(yīng)器中的常見反應(yīng)器。通過分析ABR反應(yīng)器，運(yùn)用流體力學(xué)技術(shù)，測試不同的網(wǎng)格劃分密度和流動(dòng)模型，將ABR反應(yīng)器的水力學(xué)特性與上升流態(tài)用計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出來，在確定反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸和操作參數(shù)上進(jìn)行水力學(xué)行為預(yù)測。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；ABR反應(yīng)器；應(yīng)用

引言

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是以離散數(shù)學(xué)的思維方式，在計(jì)算機(jī)上使用離散數(shù)值方法，設(shè)定控制方程并進(jìn)行求解，計(jì)算和預(yù)測連續(xù)動(dòng)態(tài)流體的技術(shù)，是本世紀(jì)流體力學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。在污水處理工程中，任何反應(yīng)器都需要通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定反應(yīng)器的最佳流態(tài)，采用CFD技術(shù)，開展ABR處理廢水的水力學(xué)特性研究，為工業(yè)企業(yè)水污染防治和管理的實(shí)際工程應(yīng)用提供嶄新的應(yīng)用基礎(chǔ)研究理論依據(jù)與技術(shù)平臺(tái)。下面將針對(duì)ABR反應(yīng)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(tài)因子不同的條件下，模擬和比較ABR內(nèi)部的水力學(xué)特性，從而對(duì)ABR處理廢水的水力學(xué)特性和生態(tài)因子耦合機(jī)制的進(jìn)行整合優(yōu)化，其目的是在工業(yè)生產(chǎn)中達(dá)到最佳效能。

1 流體力學(xué)在ABR反應(yīng)器中的應(yīng)用現(xiàn)狀

CFD 的應(yīng)用已遍及各個(gè)與流動(dòng)相關(guān)的行業(yè)和領(lǐng)域，但在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚。模擬生化處理構(gòu)筑物既要考慮流態(tài)，又要考慮生化反應(yīng)過程。所以對(duì)于生化處理構(gòu)筑物的模擬，主要分為兩個(gè)層面：①對(duì)于生化反應(yīng)過程的模擬，主要采用數(shù)學(xué)模型；②對(duì)于物理過程的模擬，主要采用流體力學(xué)模型。嚴(yán)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(yīng)過程有機(jī)結(jié)合起來。國外的研究主要將生化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型和 CFD 模型相結(jié)合，針對(duì)生化反應(yīng)的機(jī)理建立基于水流流動(dòng)、傳質(zhì)過程及環(huán)境影響等方面的模型，模擬的目標(biāo)多為考察生化指標(biāo)的分布和去除[1]；國內(nèi)的研究主要是從構(gòu)筑物內(nèi)部的水力特性出發(fā)，考察池內(nèi)流場、污泥分布等，或通過改變構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件，提出設(shè)計(jì)、運(yùn)行的優(yōu)化方案。

2 流體力學(xué)在ABR反應(yīng)器的離散化處理

CFD最核心的思想是在計(jì)算機(jī)上用離散的方式把連續(xù)流體處理成單獨(dú)的個(gè)體。比較知名的有平滑粒子流體力學(xué)，求解流體問題的拉格朗日方法、把方程映射到像球諧函數(shù)和切比雪夫多項(xiàng)式等正交函數(shù)上的技術(shù)或者利用格子波爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Methods）。但是根據(jù)最基本的思想，最好的方法還是把空間區(qū)域離散化，使連續(xù)的流體變成小個(gè)體并有獨(dú)立空間，這樣就形成了一個(gè)立體網(wǎng)格或者空間點(diǎn)，這樣的立體網(wǎng)格可以不規(guī)則，每個(gè)立體網(wǎng)格必須單獨(dú)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，如果反應(yīng)器中的流體是高度動(dòng)態(tài)的并且在速度高、跨越尺度大，立體網(wǎng)格本身應(yīng)該可以隨時(shí)間調(diào)整， 自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化方法。對(duì)于ABR反應(yīng)器選擇非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成方法，這樣的每個(gè)網(wǎng)格都由兩個(gè)三角面構(gòu)成，能夠較容易的處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)于反應(yīng)器的入口和出口處。其收斂性好，對(duì)反應(yīng)器的入口部分、出口部分、折流板部分分別建模并生成網(wǎng)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(yīng)器的內(nèi)表面積。V是控制體積元體積，也就是ABR反應(yīng)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(yīng)器的內(nèi)表面積和液體的體積，可以達(dá)到離散化的目的。

在生成反應(yīng)器的立體網(wǎng)格時(shí)，還要通過調(diào)整參數(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新構(gòu)造，可以采用局部網(wǎng)格增加細(xì)分的方法，對(duì)計(jì)算區(qū)域中的入口和出口位置附近增加網(wǎng)格數(shù)。在湍流問題的數(shù)值模擬計(jì)算中，網(wǎng)格數(shù)較密的區(qū)域精度就會(huì)更高。

3 流體力學(xué)在ABR反應(yīng)器的流動(dòng)模型

當(dāng)立體網(wǎng)格確定后，選用已有的算法來解運(yùn)動(dòng)方程。如果考慮反應(yīng)器內(nèi)的清水單相運(yùn)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(yùn)行情況[3]，可以選納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）。由于ABR反應(yīng)器中泥水物的水力學(xué)流態(tài)最為重要，并考慮了流體環(huán)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(yīng)力場，那么就必須利用粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，這是一個(gè)復(fù)雜的二階非線性偏微分方程，運(yùn)算很復(fù)雜，而且也未必能比簡單的一維速度場等更準(zhǔn)確[4]。目前廣泛應(yīng)用的是Launder和Spalding提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，這種模型是目前帶有液態(tài)反應(yīng)器流場模擬中應(yīng)用最廣泛的渦粘性湍流模型。它的組成包括兩個(gè)部分：湍流動(dòng)能k、湍流耗散率ε的傳輸方程[5]。為了提高標(biāo)準(zhǔn)k在生成反應(yīng)器的立體網(wǎng)格時(shí)，還要通過調(diào)整參數(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新構(gòu)造，可以采用局部網(wǎng)格增加細(xì)分的方法，對(duì)計(jì)算區(qū)域中的入口和出口位置附近增加網(wǎng)格數(shù)。在湍流問題的數(shù)值模擬計(jì)算中，網(wǎng)格數(shù)較密的區(qū)域精度就會(huì)更高。

3 流體力學(xué)在ABR反應(yīng)器的流動(dòng)模型

4 結(jié)束語

以采用CFD技術(shù)為基礎(chǔ)，用專用的流體流動(dòng)模型開展ABR處理廢水的水力學(xué)特性建模研究，并對(duì)反應(yīng)器中流體的實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，通過多種測試手段（如示蹤粒子等）來驗(yàn)證，得到有準(zhǔn)確的CFD計(jì)算模型，對(duì)ABR反應(yīng)器的水力學(xué)特性和生態(tài)因子耦合機(jī)制的進(jìn)行整合優(yōu)化，以求達(dá)到最佳效能；獲得ABR最佳構(gòu)型；預(yù)測ABR反應(yīng)器在運(yùn)行過程中可能存在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并提出風(fēng)險(xiǎn)防范對(duì)策或應(yīng)急解決方案。反應(yīng)器進(jìn)水的有機(jī)物含量，顆粒污泥的生長環(huán)境條件是否能在污水中得到滿足至關(guān)重要。通過改變反應(yīng)器內(nèi)的水力學(xué)特性，完善混合條件使得污水可以滿足相應(yīng)的條件。對(duì)于改變水力學(xué)特性來說，就要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)整和設(shè)計(jì)，水力參數(shù)的選擇以及反應(yīng)器沉淀部分流態(tài)的控制，都可以通過流體力學(xué)來模擬實(shí)驗(yàn)，這樣可以用最小的成本避免不良的水力學(xué)流態(tài)，避免厭氧菌產(chǎn)甲烷活性的降低，避免污泥菌群的流失，最大限度的發(fā)揮反應(yīng)器效能。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)

[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.

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[3]張遠(yuǎn)君.兩相流體動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空學(xué)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(jì)算機(jī)應(yīng)用。