Carrousel氧化沟固液两相水力特性数值模拟刘妍妮

收稿日期：2017-08-30修回日期：2018-06-25第一作者简介：刘妍妮，女，1981年生，硕士，陕西省交通职业技术学院，讲师；研究方向——应用数学。E-mail：[e-mail]应用力学学报CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICS第35卷第5期2018年10月Vol.35No.5Oct.2018文章编号：1000-4939(2018)05-1152-06Carrousel氧化沟固-液两相水力特性数值模拟刘妍妮1蔡亚希2杨晓栋3(1陕西省交通职业技术学院710018西安；2陕西省土地工程建设集团710075西安；3西安市自来水有限公司710082西安)摘要：为研究氧化沟内的固-液两相流，本文采用数值计算的方法，以典型的四沟道Carrousel氧化沟为研究对象，通过将污泥沉降速率模型与两相湍流混合物模型耦合，建立了氧化沟固-液两相湍流混合物模型，从而实现了垂向上固-液两相的分离。模拟结果显示：氧化沟内的污泥浓度变化趋势总体呈现出与水流流速变化趋势相反的分布规律，即越接近沟底，污泥浓度越大，流速越小；越接近水面，污泥浓度越小，流速越大。此外，在大弯道处，形成弯道环流，造成了外弯道的冲刷和内弯道的淤积，大弯道内壁处的污泥浓度整体高于弯道外壁处。本研究结果对实际工程中防止或减少沟内污泥沉积，提高氧化沟污水处理效率有一定的指导意义。关键词：氧化沟；固-液两相流；湍流模型；数值模拟中图分类号：TV131.4文献标识码：ADOI：10.11776/cjam.35.05.A0451引言氧化沟是改良的活性污泥法工艺中的一种，具有较长的水力停留时间、较低的有机负荷，在城市污水和工业废水处理系统中起着很重要的作用。现阶段国内外学者[1-3]对氧化沟工艺设计及设备改进、流态模拟及生物反应动力学方面的研究都取得了一定成果。文献[4]对安装1个倒伞形表曝机的Carrousel氧化沟模型进行水力学测定，得出：距表曝机较近的x轴位置流速较大，远离表曝机的固体含量逐渐增大。文献[5]基于质量及动量守恒方程及活性污泥1号模型，研究得出氧化沟中流体的速度及氧气的传输能力对氧化沟内的浓度分布有着重要的影响。文献[6]首次运用明渠流的一维对流扩散方程及活性污泥模型，预测了氧化沟内碳的氧化、硝化及反硝化作用。文献[7]对悬浮液中的污泥浓度和污泥沉降速率的关系作了研究，提出了最早的污泥沉降速率模型。文献[8]对污泥浓度及沉降速率之间的关系进行研究，得到了污泥沉降速率函数。文献[9]建立了氧化沟液-固两相湍流混合物模型，实现了垂向上液固两相运动的分离。文献[10]通过对Vesilind公式中初速度或指数项的修正，实现了对污泥自由沉降和区域沉降同时进行模拟。文献[11]提出了描述污泥浓度与污泥沉降速率之间关系的指数模型。本文在前人研究的基础上，建立氧化沟固-液两相湍流混合物模型，实现垂向上固-液两相的分离。并首次使用该模型对四沟道Carrousel氧化沟进行固-液两相流数值模拟，得出氧化沟内流速及污泥浓度垂向分布。2数学模型本文采用计算流体力学软件Fluent对四沟道第5期刘妍妮，等：Carrousel氧化沟固-液两相水力特性数值模拟1153Carrousel氧化沟进行模拟，由于垂向速度是固-液两相分离的主要因素，因此本文只考虑固-液两相在垂向上的速度差异，并通过假设混合模型中第二相(固相)p相对于第一相(液相)q相的相对速度pqv在水平方向上的速度分量为0，从而只考虑其垂向上的速度分量，即pqsvv(sv为污泥沉降速度)，从而定义固-液两相垂向上的滑移速度，实现污泥沉降速率公式和两相混合模型的耦合。2.1混合模型该模型是通过求解混合相的连续性方程、动量方程及能量方程，并通过相对速度来描述离散相。连续性方程的表达式为()()0mmmtv(1)式中mv为质量平均速度，其表达式为1nkkkkmmvv(2)其中：k为第k相的体积分数；m为混合密度，表达式为1nmkkk(3)混合模型的动量方程表达式为Tdr,dr,1()()[()]()(4)mmmmmmmmnmkkkkkPtvvvvvgFvv其中：P为压强；n为相数；F为体积力；m为混合粘度，且1nmkkk(5)dr,kv为第k相的漂移速度，其表达式为dr,kkmvvv(6)混合模型的能量方程表达式为11eff()(())()nnkkkkkkkkkEEEptkTSv(7)式中：ES为源相；effk为有效导热系数，表达式为eff()kktkkk(8)其中：tk为湍流热传导系数；可压缩相Ek的表达式为22kkkkpEhv(9)不可压缩相Ek的表达式为kkEh(10)其中hk代表第k相的焓值。在Mixture模型中第二相的体积分数方程表达式为dr,1()()()()ppppmpppnqppqqtmmvv(11)相对速度也称为滑移速度，被定义为第二相p相对于第一相q的速度，表达式为pqpqvvv(12)对于任意一相k，其质量分数定义为kkkmc(13)漂移速度pqv与滑移速度dr,pv之间的关系为dr,1nppqkqkkcvvv(14)Manninen相对速度的表达式为drag()ppmpqpfva(15)式中p为微粒的弛豫时间，表达式为218pppqd(16)其中d为第二相p的微粒(或液滴、气泡)直径；q为液体粘度；α为第二相的加速度，表达式为()mmmtvagvv(17)其中g为重力加速度。默认的拖曳力函数dragf根据文献[12]的经验表达式为0.687drag10.15,(1000)0.0183,(1000)ReRefReRe≤(18)其中Re为雷诺数。加入扩散项后相对速度的表达式为2drag()()18pmppqtpqqtpqdfva(19)式中：/tPrSt，取值为0.75；t为湍流扩散系数，表达式为2212[](1)1tkCC(20)其中：为耗散率；C为经验常数；23pqkv；1154应用力学学报第35卷21.81.35cosC，cospqppqpvvvv；为湍流涡漩时间比尺与微粒的弛豫时间的比值。2.2污泥沉降速率模型对不同浓度的污泥区域沉降速率进行拟合便可得到文献[13]污泥沉降速率公式，公式拟合相关系数为0.998574，表达式为0.461.860.004eeXXsv(21)式中：sv为污泥沉降速度，单位为m/s；X为污泥浓度，单位为g/L。3数值模拟及验证3.1计算区域试验模型为四沟道Carrousel氧化沟，单沟宽8.5m，高4.5m，水深4.5m，直道长83.5m。小弯道半径R1=8.5m，大弯道半径R2=17m。氧化沟推流转轮由8个叶片组成，每个叶片长1.8m，高0.7m，转轮中心距中间挡板距离为2.25m，转轮转速为30r/min(3.14rad/s)，推流转轮淹没深度为2.25m，进出口长3.0m，宽0.5m；出口长2.5m，宽0.5m。计算区域图如图1所示，模型尺寸如图2所示。图1计算区域三维示意图Fig.13Ddiamensionaldiagramofthecomputationaldomain图2模型平面尺寸图Fig.2Planesizeofoxidationditch3.2网格划分初始计算网格由GAMBIT软件生成，采用结构化与非结构化网格结合的方法进行划分，网格总单元数240732个。三维网格图如图3(a)所示，二维计算区域平面网格图见图3(b)所示。(a)计算区域三维网格图(3Dgridsofthecomputationaldomain)(b)二维网格图(2Dplanegridsofthecomputationaldomain)图3计算区域网格图Fig.3Gridofcomputationaldomain3.3数学模型及边界条件在研究氧化沟内固-液两相流时，将固体当作拟流体处理，两相流模型选取Mixture模型，将污水设置为主相，污泥设置为次相。湍流模型选取RNGk-ε模型，推流转轮与氧化沟的相对运动采用多参考系模型(MRF)。对流项采用一阶迎风格式离散，压力与速度的耦合采用SIMPLEC算法。模型顶面采用刚盖假定，假设流体自由面没有波动。廊道壁面及底面设为墙，固体壁面上的边界条件采用壁面函数法给定。定义初始条件：设初始时刻氧化沟内充满水，液面高度为4.5m，初始流速为0m/s，进水为含一定质量浓度污泥的污水(污泥密度为1051kg/m3，污水密度为1000.35kg/m3)，并定义转轮区域的转速为3.14rad/s。定义边界条件：进水口采用速度进口，入流速度v=0.3m/s，入流污泥相体积分数为0.002379，污泥的平均粒径为0.434mm；出水口采用压力出口，由于外界压力恒为一个大气压，因此出口可近似看做是自由出流。污泥与污水两相之间的滑移速度在两相流相互作用的选项中使用用户自定义函数定义，并认为污水与污泥在水平面上没有相对运动，只存在垂向上的滑移速度，计算总时间为500s，此时残差均降至10-5以下，认为计算收敛。4流速及污泥浓度沿垂向分布分析为了能够更加直观地观察和分析四沟道卡鲁塞尔氧化沟内部沿垂向的流速及污泥浓度的分布情第5期刘妍妮，等：Carrousel氧化沟固-液两相水力特性数值模拟1155况，取沟道A、沟道B及大弯道上共18个均匀分布的测点，提取流速及污泥浓度资料。氧化沟的对称结构使得沟道C及沟道D上的流速和污泥浓度分布与沟道A、B类似，在这里不作赘述。图4为氧化沟测点布设图，其中测点1~18代表测线沿垂向的布设情况，表1为测点坐标。图5为测点沿垂向的流速分布图，图6为污泥浓度分布图。图4氧化沟垂向测点布置图Fig.4Diagramofoxidationditchverticalmeasuringpoint表1氧化沟垂向流速测点坐标Tab.1Verticalvelocitymeasuringpointcoordinate测点(measuringpoint)123456789x/m92.192.192.150.3550.3550.3512.112.112.1y/m26.4530.2834.126.4530.2834.126.4530.2834.1z/m4.54.54.54.54.54.54.54.54.5测点(measuringpoint)101112131415161718x/m3.292.231.1612.112.112.150.3550.3550.35y/m25.9925.9825.9625.4521.6317.825.4521.6317.8z/m4.54.54.54.54.54.54.54.54.5图5流速沿垂向分布图Fig.5Velocitydistributioninverticaldirection图5显示了四沟道Carrousel氧化沟内测点1~18沿水深方向的流速分布。由图中可以看出，大弯道入口处内侧(测点1)及中间(测点2)流速分布较均匀，外侧(测点3)表面流速较小，中下部流速较大，因此大弯道入口处外侧易发生污泥沉积。A沟道中间横断面内侧(测点4)及中间(测点5)流速分布较均匀，外侧(测点6)的流速差异不大，表现为沟表面及底部的流速略大，中部流速略小。测点7~9位于小弯道的出口处，水流受到的转轮卷吸作用较大，加上弯道环流作用的影响，使得内侧(测点7)、中间(测点8)及外侧(测点9)的流速分布规律有较大的差异，内侧流速分布为中上部流速较大，下部流速较小；而中间的流速分布则为表面及底部流速较大，中间流速较小；外侧的流速分布为表面的流速较小，底1156应用力学学报第35卷部流速较大。测点10~12位于小弯道中间，离