新型水處理器的水模實驗和CPFD模擬研究

王淑嬋，姚 心，呂 東，孫寧磊，曹 敏，張立棟

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.東北電力大學，吉林 吉林 132012)

0 背景

針對實際工業生產和污水處理的進水量大、進水固含低、流速快等特點，中國恩菲工程技術有限公司進行設計及搭建集過濾和濃縮于一體的新型水處理器實驗裝置[1-2]。既能起到懸浮物過濾作用，同時又使懸浮物得到濃縮后回收；進而從某種程度上緩解了沉淀池和濃縮池的占地面積大、投資成本高和運行管理費用高等問題。而且該技術裝置的研究和開發，對實際工業生產和污水處理運行過程具有十分重要的現實意義。

但新型水處理器的設計放大僅憑使用者經驗，本文則通過水模實驗和數值模擬方法對其進行優化研究，并為工業化設備選型和工藝操作提供理論參考[3]。

1 實驗設備與方法

本實驗采用偃師試驗基地已有的紅土鎳礦作為過濾原料，加入配備有攪拌器的給料槽。視實驗情況加入絮凝劑溶液。經定量泵的實驗原液流入水處理器，在進料管道上安裝有玻璃轉子流量計，可通過調節過濾器進口閥門的開度對流量進行調節。新型水處理器使用的過濾材料為某種特制的泡沫微珠，其上方裝有濾網對其進行攔截。進行PIV實驗時，為防止激光反射，使用黑色膠帶遮擋泡沫微珠層。

新型水處理器簡化模型如圖1所示。以進料流量30 L/h計算，進水流速為0.054 2 m/s，通過顆粒層的水流速度是0.001 1 m/s。礦漿顆粒為紅土礦，實驗原液含固量為100×10-6mg/L，固體顆粒粒徑小于10 μm，自測其密度為2 588.5 kg/m3。

圖1 顆粒床簡化模型圖

PIV技術是一種隨著計算機和電子信息技術的發展而發展起來的先進非接觸式測量流場的測量技術，已經被廣泛應用于流場測量領域，它可以實現對流場的無干擾、非插入、非接觸測量且具有較高精度，非常適合流化床內顆粒流動特性的研究[4]。

本文采用常見的聚苯乙烯粉末作為測量流體流場的示蹤粒子，并用PIV測量的速度矢量場對水處理器的數學模型進行驗證。考慮到顆粒層激光打不透并產生反射，本次PIV測量區域限制在泡沫微珠顆粒層以下部分。

2 數學模型與方法

所謂CPFD方法，從本質上是一種基于multiphase particle-in-cell方式的數值計算方法，能夠在三維空間內耦合求解流體和大量顆粒的動量方程。其中，流體相利用Eulerian方法處理，動量方程用Navier-Stokes方程表示，而顆粒相則用Lagrangian方法處理并與流體相方程相耦合。本方法將具有相同屬性的顆粒打包為計算顆粒提高效率，首先通過相間插值算子將顆粒信息映射到歐拉體系，運用顆粒應力方程在Eulerian體系下計算顆粒間作用，計算曳力并映射回Lagrangian體系，最后在Lagrangian體系下求解計算顆粒的運動[5-6]。

采用solidworks建模，并使用CPFD自帶的笛卡爾網格劃分方法生成中等精度結構化網格，網格數445 842個，計算時間步長均設定為0.01 s。

因濾網模型占用內存極大，影響計算速度，因此進行簡化處理。在三維模型原濾網處進行5 mm厚的切除，模型因此被分割成2個實體，導入Barrucuda軟件后，再采用邊界連接器(BC Connector Editor)方式連通。

顆粒曳力模型選用Wen-Yu/Ergun模型。其他模擬參數如表1所示。

表1 模擬參數表

3 結果與討論

3.1 物性參數測量結果

采用激光粒度儀測得未絮凝礦漿粒度分布如圖2所示，D50為4.004 μm，該分析報告與實際基本相符。

圖2 礦漿顆粒未絮凝時粒度分析報告圖

圖3所測D50粒徑為5.546 μm，僅比未絮凝時平均粒徑增大1 μm，分析認為激光粒度儀測量時采用的超聲將絮凝的礦漿顆粒打撒，與實際絮凝后的粒徑不符，將超聲關閉后重測。

圖3 礦漿顆粒絮凝后粒度分析報告圖

圖4所測D50粒徑為15.43 μm，顆粒粒徑增大明顯，可為絮凝效果提供參考。將圖2和圖4所測顆粒及其粒徑作為水模實驗的實驗原料和數值模擬的初始條件參數。

圖4 礦漿顆粒絮凝后粒度分析報告(未加超聲)圖

3.2 PIV實驗結果

圖5是流體速度矢量場的PIV結果和模擬結果的對比，近壁區由于折射造成PIV實驗流速偏大，但水模實驗有力的證明了模擬結果的準確性。下方進口的水以較大流速沖入反應器向下流動，沖入一定高度后受到慣性阻力，開始沿側壁向上流動，形成沿側壁流動的回流。

圖5 流體速度矢量場的PIV結果和模擬結果對比圖

3.3 數值模擬結果

由圖6不同時間下的新型水處理器的數值仿真結果看出，在進口流速的帶動下，大顆粒由于慣性作用自上向下運動；小顆粒更容易受渦流作用產生向上運動，小顆粒的運動軌跡基本與反應器內水的流動方向保持一致。隨著時間的延長，60 s后進水管上方發現顆粒的上浮，這與水模實驗所見情況一致。

圖6 新型水處理器的數值仿真結果

顆粒隨液體進入水處理器，由于液流和顆粒自身重力的作用獲得了較大的加速度，開始向下運動，隨著流化的進行，顆粒在重力和曳力的共同作用下，速度逐漸增加。當向下運動到一定高度時，顆粒由于受到水處理器下部液體的浮力作用開始向床層兩側運動，當運動到達壁面附近時，顆粒開始向上運動。從而形成了水處理器中心區域顆粒向下流動、壁面區域顆粒向上流動的循環流動結構。

整體而言，顆粒所受的曳力與粒徑的平方成正比，顆粒的重力卻與粒徑的3次方成正比。當顆粒粒徑減小的時候，重力減小的速度遠大于曳力減小的速度，小顆粒的曳力會大于重力，所以小顆粒會更加容易的往上部運動。

180 s后大部分顆粒在反應器底部沉積，少部分顆粒被泡沫微珠顆粒層阻截，新型水處理器過濾效果良好。

4 結論

本文針對新型水處理器進行了實驗參數測量、水模實驗和CPFD模擬研究，得到如下結論：

(1)未絮凝礦漿粒度D50為4.004 μm，加入絮凝劑礦漿粒度D50增長為15.43 μm，增大的礦漿粒度可更有效被泡沫微珠攔截；

(2)PIV實驗結果驗證了數值模擬結果的準確性，水以較大流速進入反應器向下流動，沖入一定高度后受到慣性阻力，開始沿側壁向上流動，形成沿側壁流動的回流；

(3)由CPFD模擬仿真結果可知，大部分顆粒在反應器底部沉積，少部分顆粒被泡沫微珠顆粒層阻截，與現場實際狀況一致。