CFD模擬技術在厭氧工藝開發中的應用方法概述

張義龍

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300308）

1 引言

當前全球水資源短缺，與水資源浪費及水體污染是分不開的[1]。在高效利用水資源的同時，如何減少水體污染尤為重要。利用科學技術力量，改善受污染水體，對恢復水體功能具有重要意義[2]。眾多水處理技術中，厭氧處理技術以其低能耗、少污泥等特點，備受關注。但是，厭氧工藝存在的反應機理復雜、水溫水質和水力條件要求高等問題，對工藝計算、預期效果等產生影響。

隨著計算機技術高速發展，利用計算機對流體流態和水處理反應過程進行CFD 數值模擬，能夠代替和模擬實際運行過程，發現反應器在空間構成、流態、設備布置等方面的不足，較好避免實驗復雜難以實現等諸多弊端[3]。將先進的三維數值模擬技術運用到厭氧工藝開發和設計優化過程中，對反應器構型、水力邊界條件確定、判斷傳質效果與環境條件關系問題等方面均具有較好的優勢，對提高工藝處理效率具有實用意義。本文通過分步闡述的方式，對CFD 模擬技術在厭氧工藝開發中的應用方法進行概述。

2 計算構型的選擇及設置

計算構型和基本參數的選擇對于計算結果的輸出具有較大的影響。一般情況，設計構型和相關參數選取過程并不復雜。首先，通過理論計算初步確定相關設計參數；其次，根據規范、圖集或者工程經驗對初步確定的相關參數進行修正；再次，在圖紙繪制過程中，根據布置情況偶有微調，將最終形成的設計成果作為基本構型。

基本構型建立后，按照需求可衍生出多種用于對比的比較構型。對于不同型式的構型，利用CFD 進行水力流態的數值模擬，通過可視化的方式可以直觀地看出流體在模型內部的流態變化，同時生成統計分析數據。利用數據關系和可視化成果結合分析，可表明流體流態的優劣程度，判斷不同模型間的差異，評選出優化模型[4]。根據對比情況并結合實際工程需要，選定最優的構型進行試驗或放大驗證，根據驗證結果對模型計算中的設定參數進行調整，反復優化的過程，得出最優方案，最終確定參數并加以應用。

計算構型的選擇和設置是一個往復的過程，過程中逐步優化，不斷完善。一般情況，設計參數優化程度并不能通過直觀的方式判斷。因此，需要更進一步開展多維度的試驗模擬，過程重復度高，相對煩瑣。

3 模擬計算的依據及方法

通過計算機的模擬計算，需要根據軟件運行參數進行設定。根據國內外多年的研究表明[5]，對于構型內傳質效果的研究是CFD 模擬技術應用的重點。能否實現接近真實流體流態，流動過程的最優的水力狀態，設定參數的選定至關重要。

實現真實水力流態的模擬成果，基礎在于計算依據和方法的選擇。選擇過程中，可參照大量的文獻成果，結合模擬對象的實際情況開展。對于參數選取，可以根據模擬的需要，通過試驗、分析、調整和試驗的方式，反復地嘗試，得出有針對性的計算參數依據。

一般情況，對于設備構型的邊界條件設定，主要包含入口邊界、出口邊界、自由水面邊界和壁面邊界的設定。計算方法的選擇與模擬過程的推斷有關。

對于常見的模型，入口邊界條件一般設定為速度進口，其他相關參數可按照均勻分布考慮。通過流速和流量的控制，反饋狀態變化；出口邊界條件一般設定為壓力出口，由于直接與外界聯通，壓力控制為101.325kPa；自由水面邊界條件一般設定為自由界面；壁面邊界條件根據標準壁面函數進行處理，可保持壁面上的水流速度為零；對于數值方法的選取，一般依據有限元分析法的相關理論，按照不同的流態形式確定流動過程和計算精度。軟件計算的優劣另一個關鍵在于網格的劃分，需要根據構型的特點和變化的趨勢，對于重點區域考慮網格的優化分區和細節調整，優秀的網格劃分可以使計算結果更為接近反映真實的流體流態變化。對于數值計算的穩定性和收斂性，可結合變量和壓力情況，合理地選取迭代方式。

計算依據和方法是多樣的，采用不同的計算方法，可得出不同的計算結論。因此，過程中需要不斷往復調整，合理地選擇相關參數對于結果具有重要意義。

4 模擬結果的展示及驗證

根據以上方法對設備構型進行逐步模擬分析，計算結果可通過數據和可視化形式展示。相同設定條件，不同構型，計算成果間差異不同。根據不同情況，逐一進行分析，結合實際需要選取最優結果。

單參數的變化，對模擬結果會產生較大影響；多參數變化，存在較大的不確定性，需要對參數進行分類并確定主要參數，參數變化可以通過正交試驗的方式，統籌變化與模擬結果之間的關系，進而得出可信的模擬結論。

一般情況，對于同一構型，不同設定參數下，比較構型內流體流態變化；在同一設定參數下，比較不同構型內的流體流態變化。根據需要，可考慮對不同構型、不同設定參數條件下的計算結果進行逐一比較。衡量尺度的把控，是對比分析結果的關鍵。

計算結果的驗證，采用示蹤原理。通過數據檢測示蹤劑的流行狀態變化，不同時間不同位置的數據差異，可對計算結果進行反饋。對于計算結果驗證和示蹤操作，需要大量的反復工作，相互反饋—調整—反饋的往復過程，更趨近于真實流體流態的反映。

5 結語

流體傳質過程極為復雜，難以借助實驗得出直觀結論。CFD 模擬技術作為流行和實用的計算模擬技術，對于構筑物或設備構型內部流體流態的預測和判斷起著關鍵作用。技術掌握和應用，可提高工作效率，避免較大的實驗工作量。但是，需要大量試算過程的積累。由于計算成果并不是真實的流體流態，計算結果驗證，需通過反復優化調整和試驗，逐步趨近真實流體流態，研究意義重要。

厭氧工藝一般更多依靠自身水力條件變化實現泥水之間攪動，從而實現傳質過程。本文通過方法總結的形式，描述了利用CFD 數值模擬技術對構筑物構型優化過程的方式方法，不僅適用于厭氧工藝構型的優化過程，對其他涉及分析反映流體流態的內容，均具有一定的參考意義。