辐流式二沉池固液两相流数值模拟

辐流式二沉池固液两相流数值模拟摘要：利用改进进的RNG两方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，对辐流式式二沉池内速速度场和污泥泥浓度分布进进行了数值模模拟。研究结结果表明：沉沉淀池表面和和底部存在着着两个回流区区，池中下部部速度较高。池池内存在着明明显的泥水界界面，污泥层层中相当大的的部分是等浓浓度区，污泥泥层底部是浓浓度较高的压压缩区。关键词：辐流式式沉淀池；两两相流；数值值模拟Solid-lliquiddtwophaseeflowwsimuulatiooninacirrcularrsecoondaryyclarrifierrAbstracct:BaasedoontheimproovedRRNGttwo-equattionmmodelandttheMIIXTUREEmulttiphassemoddel,ttheflluidvvelociitydiistribbutionnandsludggevollumeffractiioninnaciirculaarclaarifieerwerresimmulateed.Reesultssindiicateddthatttwodeadzonessexisstediintheesurffaceaandboottomofthheclaarifieerresspectiively..Theveelocittyinthemmiddleeloweerparrtofthecclariffierwwashiigher..Obviioushhorizoontalsludgge-watterinnterfaacewaasfouundanndtheemajoorparrtofthessludgeeblannketwwasissoconccentraation..Thebottoomofthessludgeewasacommpresssionallzoneewithhhighherslludgeconceentrattion.Keyworrds:ccircullarcllarifiier,twophaseefloww,nummericaalsimmulatiion1前言二次沉淀池是活活性污泥法的的重要组成部部分，整个系系统的处理效效能与二次沉沉淀池的设计计和运行密切切相关，沉淀淀池内固液两两相流流态对对沉淀池性能能有着重要影影响。Anderrson等[1,2]实验研究表表明：沉淀池池内同时存在在密度流、分分层流、絮凝凝沉淀、区域域沉淀和压缩缩沉淀等多种种现象，沉淀淀和流动耦合合在一起，相相当复杂。Lyn[3]]、Krebss[4,5]和周四平[6]等人利用湍流流模型和不同同的污泥颗粒粒运动方程对对二沉池进行行了数值模拟拟。国内曾光光明等[7,8]利用涡量法法对二沉池进进行了数值模模拟，蔡金榜榜等[9]研究了了基于剖开算算子法的沉淀淀池数学模型型。然而，多多项研究结果果表明[10]：两方程湍流流模型对浮力力流、重力分分层流、低雷雷诺数流动的的预报是失败败的，不仅在在定量上，甚甚至在定性上上失真。本文文利用改进的的两方程模型型和MIXTUURE多相流模型型对辐流式二二次沉淀池内内的流态进行行了数值模拟拟，为优化池池型，提高沉沉淀效率奠定定基础。2数学模型二次沉淀池属于于一个固液两两相流反应器器，Mixtuure模型是一种种简化的多相相流模型，它它假定在短空空间尺度上的的局部平衡，来来求解混合相相的动量、连连续性和能量量方程，第二二相的体积分分率以及滑移移速度和漂移移速度。由于于模型简单，计计算量小且结结果较为可靠靠而得到了较较多应用[111]。Mixturee模型连续性性方程：（1）这里是质量平均均速度：（2）是混合密度：（3）是第相的体积分分数，是用户户定义的质量量源相的质量量传递。Mixturee模型动量方方程：动量方程可以通通过对所有相相各自的动量量方程求和来来获得，它可可以表示为：：（4）其中是是相数，是体体积力，是混混合粘性（5）是第二相的漂移移速度：（6）滑移速度被定义义为第二相的的速度相对于于主相的速度度：（7）滑移速度和漂移移速度的关系系为：（8）第二相相的体积分数数方程：（9）湍流模型有多种种，包括单方方程模型，双双方程模型（Standdard,RNG,Realiizablee），雷诺应力力模型和大涡涡模拟等。双双方程模型自自提出以来得得到了大量的的应用，但由由于它是各项项同性模型，不不适合浮力流流、重力分层层流等明显各各项非同性的的流动，于是是出现了很多多修正的模型型，基于重整整化群的RNG两方程程模型[12]即是其中的的一种，它考考虑了湍流漩漩涡，提高了了计算精度并并可以正确的的处理近壁区区域，适用于于分层流和浮浮力流。本文文采用该湍流流模型模拟沉沉淀池内流态态，它的湍流流动能和湍流流动能耗散率率的运输方程程分别为:((10)(11)((12)式中：，，有关关系数如下：：，。公式12是一个完整整的方程，通通过此式，可可以得到湍流流变量对雷诺诺数的影响，使使得方程对低低雷诺数和近近壁流动有着着更好的结果果，在高雷诺诺数的情况下下，，改进的RNG模型同同标准的的模模型几乎有着着相同的结果果。3模拟对象与边边界条件一辐流式二次沉沉淀池中心深深4m，周边深2m，泥斗设在在池中央，池池底向中心倾倾斜，一块垂垂直入流挡板板，用于把入入流引向池底底，一块水平平挡板，防止止进水和污泥泥回流之间的的短流[133]。属轴对对称图形，几几何尺寸如图图1所示。图1辐流式二二沉池示意图图该池进进水活性污泥泥浓度3.4kgg/m3,回流比0.86，进口速度1.9cmm/s，出口压力力为大气压，水水面为没有剪剪切和滑移速速度的自由界界面，池底和和边壁为固体体壁面，壁面面上速度为0，使用标准准壁面函数[[14]。用用有限体积法法求解微分方方程，压力与与速度耦合方方程使用SIMPLLEC方法进行求求解，湍动能能、湍流耗散散、动能均采采用QUICK离散格式，使使用结构化四四边形网格共共24417个。开始计计算时，由于于无法知道池池内各处污泥泥浓度，所以以须从非稳态态开始计算，初初始假设池内内充满清水，活活性污泥混合合液开始进入入沉淀池，直直到出水和底底流污泥浓度度不变，总质质量等于进水水污泥质量，池池内污泥不再再累积，认为为达到稳定，整整个过程需要要近45000步计算，在Pentiium422.4G，DDR2666内存512M计算机上耗耗时约26小时。4模拟结果与与分析图2为为沉淀池内污污泥浓度分布布图，不同颜颜色代表不同同的污泥浓度度。从图中可可以看出，沉沉淀池内存在在着清晰的水水平泥水界面面，在此界面面以上，污泥泥浓度基本为为0，在此界面面以下，污泥泥浓度基本一一致，池底有有一层较薄的的污泥浓缩层层，污泥浓度度很高，这个个结果同文献献对实际沉淀淀池测试结果果[15]是一致的。图2沉淀池内内污泥浓度分分布图图3是是沉淀池内速速度流线图，从从图中可以看看出，沉淀池池表面和沉淀淀池底部存在在着两个回流流区域，占据据了一定的沉沉淀池容积，沉沉淀池中部流流线密度高说说明水流速度度较高，池面面流线稀疏说说明水流速度度较低。图3沉淀池内内速度流线图图图4是是沉淀池内速速度分布图，A图-F图分别表明明了距离轴3m、6m、9m、12m、15m和18m处垂直方向向水平速度情情况。所有的的图中都表明明池底速度为为负值，说明明速度方向指指向中心回流流区，这是由由于回流比较较大，加上池池底倾向中心心回流，致使使池底部水流流流向与表面面水流流向相相反；并且在在沉淀池中下下部均存在一一个速度极大大值。在距轴轴3m即垂直挡板板后部，池面面水流速度约约为0，在距轴6m和9m处，池面水水流速度均为为负值，说明明这两个部位位存在着回流流，随着距离离出水堰越来来越近，池面面速度发生改改变，速度越越来越高。A距轴3mB距轴6mC距轴9mD距轴12mmE距轴15mmF距轴18mm图4沉淀池内内速度分布图图图5是是沉淀池内污污泥浓度分布布图，A图-F图分别表明明了距离轴3m、6m、9m、12m、15m和18m处垂直方向向污泥浓度分分布情况。所所有的图都表表明沉淀池表表面污泥浓度度几乎为0，在某一个个深度，污泥泥浓度突然增增加，这表明明存在着一个个污泥界面，界界面上下污泥泥浓度截然不不同。A图-D图清晰地表表明，在污泥泥层的上部分分，存在着一一个污泥等浓浓度区，在污污泥层底部，污污泥浓度很高高，表明这是是污泥压缩区区。在接近出出水堰的部位位，由于出水水水流的影响响，污泥层等等浓度区特征征不够明显，但但依然集中在在一定范围内内，这同金志志刚等实验测测试结果相一一致[16]]。A距轴3mB距轴6mC距轴9mD距轴12mmE距轴15mmF距轴18mm图5沉淀池内内污泥浓度分分布图4结论本文利利用改进的RNG两方程程湍流模型和和MIXTUURE多相流模型型，SIMPLLEC求解方法，对对一辐流式沉沉淀池内速度度场和污泥浓浓度场进行了了数值模拟。研研究结果表明明：沉淀池表表面和底部存存在着两个回回流区，池中中下部速度较较高。池内存存在着明显的的泥水界面，污污泥层中相当当大的部分是是等浓度区，污污泥层底部是是浓度较高的的压缩区。但但由于实验条条件的限制，尚尚未有足够的的该池内速度度分布和污泥泥浓度分布数数据以做对比比，还需进一一步研究。[1]Anddersonn,N.EE.Dessignoofsetttlinggtankksforractiivateddsluddge.SSewageeWorkksJouurnal..19455,17((1):500:63[2]Breetscheer.U..,Kreebs,PP.,anndHagger,WW.H.IImprovvementtoffflowiinfinnalseettlinngtannks.JJournaalofEnvirronmenntalEEngineeeringg.ASCCE,19992,1118(3)):307--321[3]Lynn.D.AA.,Sttamou..A.II.,anndRoddi,W..Denssityccurrenntsanndsheear-innduceddfloccculattioniinseddimenttationntankks.JoournallofHHydrauulicEEngineeeringg.199921188(6):8849-8667[4]Kreebs.PP.,Arrmbrusster,M.,aandRoodi,WW.Labboratooryexxperimmentsofbuuoyanccy-inffluenccedfllowinnclarrifierrs.JoournallofHHydrauulicRResearrch.11998336(5)::831-8851[5]Kreebs,PP.,Sttamou,,A.II.,Gaarcia--Herass.Inffluencceofinlettandoutleetconnfigurrationnontthefllowseecondaarycllarifiiers.WaterrScieenceaandTeechnollogy.199634(5--6):1--9[6]Zhoou,S..,McCCorquoodale..J.A..ModeelingofreectanggularsettllingttanksJournnaloffHydrrauliccEngiineeriing.119921118(100):13991-14005[7]曾光明明,葛卫华,秦肖生等.污水厂二维维沉淀池水流流和悬浮物运运动数值模拟拟.中国环境科科学,20002,22((4):3338-3411[8]曾光明明,葛卫华,秦肖生等.数值模拟方方法在二维沉沉淀池优化设设计中的应用用.环境工程,20002,20((4):100-12[9]蔡金榜榜,段祥宝,朱亮.沉淀池水流流数值模拟.重庆建筑大大学学报,20003,25((4):644-69周国臣,关于于西安市污水水处理厂周边边式辐流沉淀淀池运行情况况的讨论与建建议.西南给排水.19888,100(5):44－7[10]周力力行.多相湍流反反应流体力学学.北京：国防防工业出版社社.20002年1月[11]FlluentInc.FluenntDoccumenttationn.USAA[12]V..Yakhoot,L.M..Smithh,Thee