數值模擬在水污染控制實驗教學中的應用

張 瑜， 蘆 星， 彭 勤， 王桂芳， 楊樹成

（西安交通大學a.能源與動力工程專業國家級實驗教學示范中心；b.能源與動力工程學院，西安710049）

0 引 言

環境工程是一門綜合性和實踐性較強的學科，水污染控制工程作為環境工程專業核心課程之一，內容涉及物理、化學和生物處理等多種廢水處理技術和工藝，是多門自然科學知識的綜合應用［1-3］。水污染控制工程實驗是教學中實現理論與實踐結合的重要過程［4］，有助于加強學生對廢水處理技術基本理論的鞏固，提高學生對專業理論知識的綜合應用能力，對拓展學生知識結構面及創新精神具有非常重要的作用［5］。

傳統教學過程比較注重概念、原理等知識的傳授，而以工程思維訓練為主的解決復雜問題、創新能力的培養在一定程度受到局限［6］，其原因是課程部分內容比較抽象，而大多數教學實驗的因素和水平已經給定，這導致水污染控制教學實驗與快速發展的實際應用逐步脫節，廢水處理的前沿技術更無法充分體現［7］。學生基本停留于水質參數測定和處理裝置系統的初步認識，無法深入探索工藝流程、影響因素及反應器的結構特征等。

但在本科教學實驗中，創新和探索性實驗開展往往需要面對很多困難。以廢水好氧生物處理綜合實驗為例，其正常運行涉及機械設備控制、運行參數調整等方面，也往往受接種污泥活性和沉降性能的限制。而且污泥馴化需要數10天，若改變進水水質、運行條件或反應器結構等參數，得到可靠的實驗結果也需幾天甚至更長時間，期間水質分析任務也是非常繁重耗時［8］。此外，生物反應器運行效果的好壞與不同結構模型的內部流場特性密切相關，合適的流態有利于污染物和微生物的均勻分布和良好接觸，改善微生物的生長環境和條件，提高污水處理效率。因受設備、人力和測定原理本身的限制，反應器流場特性數據的實驗測定很難涵蓋所有流場條件的測定，實施過程也有一定局限性［9］。因此，在教學中生物處理綜合實驗開展困難重重，也正因缺失實驗環節認知和訓練，學生對生物處理工藝的認知始終處于抽象狀態。

在水污染控制實驗教學中，以培養高素質應用型創新型人才為目標［10］，高校的研究者們從未停止過對其探索，現代化教育技術因交互性、及時性及直觀性等多種優點，在實驗教學改革上引起人們更多的關注［11］，許美蘭等［7］、段鳳魁等［12］探索了虛擬仿真技術在水污染控制實驗教學的應用，打破了傳統實驗教學的局限性，彌補部分實驗難以操作的不足。楊爽等［13］、于欣欣等［14］通過優化實驗教學內容，引入工程仿真在線監測設備，模擬科研情景的模式，讓學生加深對知識的理解和運用，提高學生的實踐動手能力。王永強［15］利用ANSYS/FLOTRAN技術輔助教學，使學生更好地了解水污染控制工程的反應機理和工藝過程，同時也補充在實際操作中難以完成的實驗教學內容。

為此，課題組嘗試利用不同教學手段的互補促進作用，創設科研情境，借助數值模擬技術開展實驗教學，突破現有教學條件對實驗在時空上的制約。并以厭氧內循環（Internal Circulation，IC）反應器的流場特性及結構優化綜合實驗為例探索數值模擬技術在實踐教學中的應用，模擬流場特性，優化反應器結構參數，使學生在實際問題的探索中掌握厭氧反應器的特點，極大促進了學生對反應器內流場的認識，以達到培養學生專業實踐能力和創新能力的目標。

1 數值模擬技術在教學中的應用

根據教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》，新時代我國教育改革發展應“堅持信息技術與教育教學深度融合的核心理念”［7］。在此背景下，實驗教學信息化是發展的必然趨勢和迫切需要。數值模擬實驗技術主要借助計算機技術，建立一個能夠反映問題本質的數學模型，尋求高效率、高質量、高準確度的計算方式，在此基礎上完成對程序的編制，并完成計算驗證［16］。因此，數值模擬實驗技術是實現教學信息化的重要手段和載體［17］。對于一些概念理解抽象、實驗操作時間較長、存在安全隱患的綜合性實驗，可以借助數值模擬技術，更形象直觀地理解，同時加強對知識點的掌握和鞏固，提高實驗效率。在數值模擬技術應用于水污染控制實驗教學中，設計有以下幾個環節。

（1）確定合適的實驗內容。結合本科大創項目、畢業設計及開放性實驗項目，讓一些學有余力的學生參與復雜問題的模擬研究，或承擔簡單的科研模擬任務，既鞏固課堂所學理論內容，又可以引導學生拓展知識面，有利于培養學生獨立創新的科研能力［18］。

（2）學習模擬實驗方法。考慮到本科生的實際能力情況，在學生獨立模擬實驗之前，老師先做簡單介紹，對模擬對象建立幾何模型，通過改變相關變量，得到數值模擬求解過程，講解所采用的理論，詳細講解結果分析方法，以及邊界條件的變化設置。先安排具體、簡單的模擬任務，讓學生自主選擇時間和地點完成，采用開放性的實驗環境，激發學生自主學習的能力［19］。

（3）開展數值模擬實驗。掌握實驗方法后，學生可獨立模擬具體實驗參數，通過比對模擬結果，確定最佳實驗參數。在整個模擬過程中，學生是實驗主體，老師在其中對有異議的給出合理的建議，并進行啟發性的引導，讓學生主動解決問題［20］，完成模擬實驗。

（4）數據分析及實驗驗證。在數值模擬實驗結果的基礎上，采用優化后的實驗參數，開展實驗操作。并通過比對模擬結果與實驗數據，加深對實驗過程的理解，驗證模擬過程各參數準確性，為工程設計提供依據。

2 教學案例分析

厭氧反應器研究與開發一直是厭氧技術發展的熱點問題，反應器內部流體力學特性對生化反應過程也有著極大的影響［12，21］，以厭氧IC反應器的流場特性及結構優化綜合實驗為例，利用計算流體動力學（Computational Fluid Dgnamics，CFD）軟件模擬實驗室規模IC反應器的內部流場，并且對其內循環系統結構優化進行初步探索，使學生掌握IC反應器流場特性與結構特點以及生物反應器流態研究的基本方法。

2.1 實驗方法

2.1.1 模型搭建

根據IC反應器運行條件下的特點，假設氣液流動過程為不可壓縮，相間沒有質量傳遞，且不考慮溫度和傳熱的影響。參考相關研究［22-23］，模擬過程將氣液固3相系統簡化為氣液兩相系統，選用歐拉氣液兩相流模型，利用空氣模擬沼氣，清水模擬廢水。利用Gambit軟件對幾何模型進行網格劃分，并對氣體和液體進口、氣液界面以及氣體出口進行網格加密，確保滿足精度要求。

邊界條件：IC反應器進水口以及產氣帶設為速度進口條件，第2反應室上方溢流堰處設置為自由液面，集水槽上方設置氣體壓力出口，所有其他固體表面，包括第1、2級三相分離器以及兩個反應室各自的導流筒均設置成無滑移壁面邊界條件。初始條件：液相初始速度為0，氣相體積分數為1，其他為默認值。氣液交界以上為氣體區域，以下為液體區域。

數值計算：選擇基于壓力的二維隱式求解器進行非穩態計算，壓力耦合采用SIMPLE算法進行計算［24］。

2.1.2 流場模擬

IC反應器主體高400 mm，直徑150 mm；三相分離器集氣罩高度為70 mm，進口處直徑100 mm，上端安裝提升管直徑12 mm，對模型進行網格劃分和邊界類型設置，將網格文件導入到Fluent中，進行相同步長的瞬態運算，至流態達到穩定，得到的通氣時間相等時停止計算，取其結果進行分析。

2.2 IC反應器內部流場模擬結果

以進氣量為0.08 m3/h的反應器模擬結果為例，如圖1（a）所示，第1反應室中氣體從底部均勻進入反應器，帶動液體向上運動，徑向范圍內從反應器壁面到中心軸處，液速增大；液體主要從中心軸大流速區域被氣體攜帶，經過第1級三相分離器，進入提升管［見圖1（b）］；反應器中心大流速附近形成渦流，液體局部回流返混，不進入提升管。氣液進入分離器，氣體由出口流出，液體內部循環。通過流場模擬，學生很直觀地理解反應器內氣液的流動狀態，加深了對IC反應器運行的認識。

圖1 實驗室規模IC反應器速度矢量分布

IC反應器達到穩定狀態后各指標如圖2所示，分別為湍流強度分布［見圖2（a）］、液相速度分布［見圖2（b）］和氣含率分布［見圖2（c）］。可見，在三相分離器直徑范圍內，湍流強度明顯高于反應器其他區域。結合液相速度分布圖可知，速度大的區域相應湍流強度大，這正是氣體作用的體現。圖2（c）中三相分離器集氣罩及提升管內氣含率明顯高于反應器反應區域，沿中心軸路徑阻力最小，氣體多數由此向上帶動液體流動；第1反應室內氣含率高于第2反應室，可見三相分離器以及氣封可以很好地起到收集氣體的作用。

圖2 IC反應器流場各指標分布云圖

2.3 實驗可行性驗證

采用不同進氣量，實驗室操作IC反應器，測定反應器的提升液量，與數值模擬數據進行比較，驗證CFD模擬可行性。

由圖3所示可見，在氣量范圍為0.05～0.08 m3/h范圍內模擬結果吻合度較高，其相對誤差均低于15%，而在0.09～0.1 m3/h范圍內相對誤差明顯增大，但仍然低于30%。其原因是曝氣管泵入的氣體速度增大，在反應器有限的高度內不能達到反應器內均勻分布，導致氣體停留時間減小，液體提升量減小；而CFD模擬中，設置氣體進口面積小，布氣均勻，進氣量變化范圍不大的情況下對提升量的增大趨勢影響不大，導致在較高的產氣量下，模擬的提升量明顯高于實驗提升量。

圖3 實驗數據與CFD模擬數據對比

3 結 語

在教學實驗過程中通過采用數值模擬的技術，教學效果主要在兩個方面有明顯提升。

（1）學生理解掌握基本理論和分析問題的能力有顯著提高。借助CFD技術后，學生對生物反應器內部流場有更直觀、更本質的認識，通過觀察和分析云圖分布，對IC反應器結構特點有更深入的理解，對運行中出現的現象更容易解釋，并能夠自主預判反應器的結構設計對實驗結果的影響。開展數值模擬可以為后續的實驗開展提供指導，進一步完善實驗操作流程，不僅提高了學生分析和解決問題的能力，同時培養了他們的實踐動手能力和創新意識。

（2）彌補水污染控制實驗體系的欠缺。利用CFD技術可以使復雜的動態廢水生物處理工藝實驗順利有效地完成，通過優化實驗條件，能夠立刻得到實驗結果反饋，激發學生的實驗興趣，提高了學生自主性及對知識運用和轉化能力。同時CFD技術避免了實驗過程中因多種因素干擾對實驗結果的隨機性影響，使學生將理論、實驗與工程應用更好地聯系起來，豐富了教學實驗的內容，拓展了實驗空間，使得水污染控制實驗教學體系更加完善。

數值模擬實驗技術作為實踐過程的一個教學手段，可以很好地完成教學內容的探索與實踐，提高學生的廢水處理實踐和創新能力，對學生畢業后就業及參加科研都具有積極的作用［18］。目前已逐步在其他實驗中得到應用及推廣，今后水污染控制工程實驗將繼續在課程體系、教學模塊及教學技術手段等方面進一步發展和完善，以適應新時代人才培養的需求。