（流体力学专业论文）Carrousel氧化沟的数值模拟.pdf

摘要 摘要 氧化沟工艺自开发到现在经历了多方面的发展和演变，如今以其简单、实用、高效、 可靠及其优异的投资效益比被广泛运用于城市污水和工业废水处理中，但是由于氧化沟 的体积大，结构较复杂，并且该反应器一般以曝气装置推动氧化沟内水流的流动，在动 力不足时沟道的局部会出现速度过低的现象，造成污泥的沉积，影响氧化沟的正常运行。 目前在实际应用中虽然有改善流速分布不均匀，减少污泥沉积现象而采用一系列辅 助设施，但通过实验的方法对改进的工艺和设施进行验证耗时长，消耗大。本论文主要 是通过f l u e n t 仿真软件的应用来分析l a n d y f 和l a n d y 一7 高效表曝机驱动的氧化沟内 混合液的流动状态和速度分布，并对l a n d y f 和l a n d y 一7 两种曝气机在氧化沟中的应用 效果进行模拟研究，分析氧化沟内混合液的流动和混合状态，确定污泥沉降的发生位置， 从而准确判定水下推流器安装位置，为此类型的曝气机在氧化沟中的实际应用提供了一 定的依据，同时，也拓宽了氧化沟曝气设备的应用范围。以上研究对充分发挥氧化沟工 艺效果具有一定的理论和实际意义。此外结合生产性氧化沟测试结果进行了测试验证， 为氧化沟的设计和生产实践提供了理论依据。 关键词：氧化沟；l a n d y 高效表曝机；f l u e n t ；固液两相流 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 ab s t r a c t a b s t r a c t o x i d a t i o nd i t c hp r o c e s sh a se x p e r i e n c e daw i d er a n g eo fd e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o ns i n c e b o r n ，n o wi ti sw i d e l yu s e di nu r b a ns e w a g ea n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n td u et oi t s s i m p l e ，p r a c t i c a l ，e f f i c i e n t ，r e l i a b l ea n ds u p e r i o rr e t u mo ni n v e s t m e n t ，b u tb e c a u s ei t h a sa l a r g ev o l u m ea n dc o m p l e xs t r u c t u r e ，a n dt h er e a c t o rg e n e r a l l yp r o m o t e sw a t e rf l o wb yt h e o x i d a t i o nd i t c ha e r a t i o ne q u i p m e n t ，i tr e s u l t si nl o wr a t ea n dt h ed e p o s i t i o no fs l u d g ew h e n p o w e rl e s st h a nn o r m a l ，t h e na f f e c t st h en o r m a lo p e r a t i o no f o x i d a t i o nd i t c h a tp r e s e n t ，t h e r ea r eal a r g eo fa n c i l l a r yf a c i l i t i e s i np r a c t i c ei no r d e rt oi m p r o v i n gt h e u n e v e nd i s t r i b u t i o no ff l o wv e l o c i t ya n dr e d u c i n gs l u d g ed e p o s i t i o n h o w e v e r , t h em e t h o d so f i m p r o v i n gt e c h n o l o g ya n df a c i l i t i e sc h e c k e db ye x p e r i m e n t sa r ev e r i f i e dt i m e c o n s u m i n ga n d m o n e y c o n s u m i n g t h i si s s u em a i n l ya n a l y z e st h ef l o ws t a t u s ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dm i x e d s t a t u so ft h em i x t u r ea n ds i m u l a t e sa p p l i c a t i o ne f f e c t so ft h eo x i d a t i o nd i t c hd r i v e db y l a n d y - fa e r a t o ra n dl a n d y - 7a e r a t o rb yf l u e n ts o f t w a r e t h u si tc a n sd e t e r m i n et h e o c c u r r e n c el o c a t i o no fs l u d g es e t t l e m e n ta n da c c u r a t e l yj u d g et h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o no f u n d e r w a t e ri m p e l l e r a n di tp r o v i d e ss o m eb a s i so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ea e r a t i o n m a c h i n e si nt h eo x i d a t i o nd i t c h s i m u l t a n e o u s l yi tb r o a d e n st h ea p p l i c a t i o no fa e r a t i o n e q u i p m e n ti no x i d a t i o nd i t c h t h es t u d y a b o v eh a sac e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rt h ee f f e c to fo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s sw i t h i na d d i t i o n ，i t i sv e r i f i e db y c o m b i n i n gt e s tr e s u l t so fo p e r a t e do x i d a t i o nd i t c ha n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e d e s i g na n dp r o d u c t i o np r a c t i c eo f o x i d a t i o nd i t c h k e y w o r d s ：o x i d a t i o nd i t c h ；l a n d ya e r a t o r ；f l u e n t ；s o l i d l i q u i dt w o p h a s ef l o w c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 1 1 1 我国的水环境现状1 1 1 2 氧化沟技术的发展1 1 1 3c a r r o u s e l 氧化沟的工艺特点以及应用现状2 1 2 本课题的国内外研究现状3 1 2 1c f d 软件在水处理方面的应用现状3 1 2 2c f d 在氧化沟工艺中应用的发展现状3 1 3 本课题的研究内容及意义4 1 3 1 问题的提出与研究意义。4 1 3 2 研究内容5 第2 章c f d 在水处理反应器模拟中的应用7 2 1 流场研究的方法一7 2 2 湍流流场的数值模拟7 2 2 1 基本控制方程7 2 2 2 湍流模型8 2 3c f d 在水处理反应器数值模拟中的应用12 2 3 1 计算流体动力学介绍一1 2 2 3 2 计算流体力学c f d 的求解过程1 3 2 4f l u e n t 软件简介1 3 2 4 1f l u e n t 软件的模型和计算方法1 3 2 4 2f l u e n t 的优势1 4 2 5 本课题选用的流场控制方程及解法l5 2 6 收敛标准16 2 7 小结16 第3 章卡鲁塞尔氧化沟及曝气装置的选择1 9 3 1 卡鲁塞尔氧化沟的选择1 9 3 1 1 卡鲁塞尔氧化沟的技术优化1 9 3 1 2 卡鲁塞尔氧化沟的选择1 9 3 2 曝气装置的选择1 9 v c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 3 3 小结2 1 第4 章倒伞形曝气机驱动的卡鲁赛尔氧化沟单相数值模拟2 3 4 1l a n d y - f 驱动的卡鲁赛尔氧化沟数值模拟2 3 4 1 1 氧化沟模型的选择与简化2 3 4 1 2 模型的验证2 3 4 1 3 网格划分2 3 4 1 4 边界条件的设置2 5 4 1 5 模拟结果的验证2 5 4 1 6 模拟结果分析2 5 4 2l a n d y 7 曝气机驱动并曝气的卡鲁塞尔氧化沟3 2 4 2 1 模型的确定3 2 4 2 2 模拟结果分析3 3 4 3 小结3 9 第5 章c a r r o u s ei 氧化沟固液两相流的数值模型4 1 5 1 多相流的研究方法和数值模型4 1 5 1 1 欧拉一拉格朗同法介绍4 l 5 1 2 欧拉一欧拉法介绍4 l 5 2f l u e n t 中的多相流模型【5 7 j 4 1 5 2 1 混合物模型：4 l 5 2 2e u l e r i a n 模型4 1 5 2 3f l u e n t 中的多相流模型的选择4 1 5 3 本课题模型的选择4 2 5 3 1 混合计算模型简介一4 2 5 3 2 混合模型的连续方程一4 2 5 3 3 混合模型的动量方程4 3 5 3 4 混合模型的能量方程4 3 5 3 5 相对( 滑流) 速度和漂移速度4 3 5 3 6 第二相的体积分数方程4 4 5 4 小结4 4 第6 章o a r r o u s ei 氧化沟固液两相流的数值模拟4 5 6 1 模型的确定4 5 v i 6 2l a n d y - f 驱动的卡鲁塞尔氧化沟的模拟结果与分析4 5 6 3l a n d y - 7 驱动的卡鲁索尔氧化沟的模拟结果与分析4 8 6 4 小结5 3 结 仑5 5 参考文献5 7 致谢6 1 攻读学位期间发表的学术论文目录6 3 v l l c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 v l l i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景分析 1 1 1 我国的水环境现状 我国得工业化进程快、城市化进程和人口增长f 1 益加快，因此水环境状况呈现水资 源短缺、污染严重、浪费惊人的情况。在诸如此类的水环境问题中，污染严重为主要问 题，由于大部分污水没有经过有效的处理就排入到江河湖海当中，全国9 0 以上的城镇 水域受到不同程度的污染，其中城市生活污水不加治理的排放也成为水体污染的主要来 源。因此，要改善我国水环境被污染的现状，保护我国的水资源，除了要对大中城市的 城市污水进行处理外，也应该加快小城市的污水处理步伐。 1 1 2 氧化沟技术的发展 到目前为止，城市生活污水生化处理技术主要有：a b 法；传统活性污泥法和o 、 a 2 o 法；氧化沟法；s b r 工艺。针对我国小城镇的比例大，而小城镇属于小型污水处 理范围，所以投入资金、运行费用节省、工艺流程简单、处理效果提高、运行管理简便 的工艺及设备一直以来是我国关于污水处理研究寻求的方向。针对污水处理厂的投资和 占地面积大小来讲，工艺型式对投资和造价的影响很大。美国环境保护局( e p a ) 对不同 生物处理工艺的基建和运行费用进行了分析，结果表明当处理规模分别为3 7 8 5 m 3 d 和 3 7 8 5 0 m 3 d 时，氧化沟建设投资分别为传统活性污泥法的6 0 - - 、一8 0 ，运行费用超出活性 污泥法的4 0 。因此，氧化沟工艺造价低、管理简便，非常适用于中小型城市的污水处 理。 氧化沟属于连续式反应池( c o n t i n u o u s l o o p r e a c t o r ) ，曝气池呈封闭的沟渠形。氧化 沟是活性污泥法的一种变形，混合液在闭合的跑道型曝气渠道中循环流动，通过活性污 泥中微生物的生长繁殖到达对污水中的有机污染物进行降解和去除，最后净化污水的目 的。最早的氧化沟于1 9 2 0 年诞生于英国，随后荷兰的帕斯维尔( a p s a v e e r ) 博士设计的氧 化沟于1 9 5 4 年在v o o r s c h o t e n 建造并投入使用，从那时起氧化沟正式以专用术语形式出 现。起初，p a s v e e r 氧化沟的充氧、推流和搅拌是有k e s s e n s e r 转刷来保证的，受其限制， 氧化沟设计的有效水深一般在1 5 m 以下，这使得氧化沟的占地面积较大。l e c o m p t 和 m a n d t 于1 9 6 7 年首次提出将水下曝气和推流用于氧化沟，发明了射流曝气氧化沟，沟 深可达7 - 8 m 。虽然改善了占地面积的问题，但是它对设备和运行管理的要求都较高， 使其使用受到一定的限制。1 9 6 8 年d h v 有限公司的荷兰工程师们将立式低速表曝机应 用于氧化沟。将设备安装在中心挡板的末端，利用表曝机产生的径流为动力，推动氧化 1 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 沟内液体的流动，卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟工艺由此得名。卡鲁塞尔氧化沟使用立式 表面曝气机，不在使用卧式转刷曝气机，而这种曝气机具有很高的搅拌、充氧效率。卡 鲁塞尔系统采用立式低速搅拌机，使沟深增加剑5 m ，使曝气池的占地面积减少了3 0 。 最近d h v 公司又发明了c a r r o u s e l 2 0 0 0 和c a r r o u s e l 3 0 0 0 系统，此系统是在原有系 统上增加一个缺氧池和一个厌氧池，提高了卡鲁塞尔系统氧化沟的脱氮除磷功能。1 9 7 0 年，h u i s m a n 在南非又开发了使用转盘曝气机的奥贝尔( o r b a l ) 氧化沟。8 0 年代，美国还 夕i ：发了导管式氧化沟，以导管曝气器代替传统的曝气转刷，是一种高效的污水处理新技 术。 1 1 3c a r r o u s e l 氧化沟的工艺特点以及应用现状 c a r r o u s e l 氧化沟工艺由于采用特殊设计的立式曝气机，具有以下特点。 ( 1 ) 采用立式曝气机，单机功率大( 可达1 5 0 0 k w ) ，设备数量少，系统简单。 ( 2 ) 有极强的混合搅拌和耐冲击负荷能力。 ( 3 ) 曝气功率密度大，传氧效率达到平均至少2 1 k 9 0 2 & w * h 。 ( 4 ) 氧化沟沟深加大，可达到5 m 以上，使氧化沟占地面积减少。 ( 5 ) 土建费用降低。 ( 6 ) 操作环境好，运行管理方便。 ( 7 ) 调节性能好，节能效果显著。 ( 8 ) 能在寒冷地区使用。 c a r r o u s e l 氧化沟技术出水水质好，运行稳定，管理方便，在近几十年来取得了迅 速的发展，成为污水处理中用得较多的技术之一，在欧洲、大洋洲、南非、和北美洲也 是一种非常重要的污水处理技术。据报道，至1 9 7 5 年，美国建成了约5 5 8 座氧化沟污 水处理厂，到1 9 7 6 年为止，加拿大已拥有9 0 座氧化沟污水厂。不仅氧化沟的数量在增 长，而且其处理规模也在不断扩大，处理对象也发展到既能处理城市污水又能处理工业 废水。我国自8 0 年代办丌始应用这项技术，随着污水处理事业的极大发展，全国各地 先后建起了不同规模、不同型式的氧化沟污水处理厂。目前采用氧化沟处理城市污水和 工业废水的污水处理厂已有近百家。 随着科学技术的发展，近年来计算流体力学在氧化沟工艺的发展中起到了很重要的 作用，通过数值模拟仿真的手段，分析氧化沟的内部流态，改善氧化沟的工艺。 2 1 2 本课题的国内外研究现状 1 2 1c f d 软件在水处理方面的应用现状 本课题将采用f l u e n t 软件对卡鲁赛尔氧化沟内部流场进行数值模拟，因为软件具有 专门的几何模型制作软件g a m b i t 模块，下面对f l u e n t 软件在水处理研究领域中的应用进 行简要介绍。 c f d 技术优化水处理反应器设计和运行在国外起步早，发展也较快。分别在固液分 离反应器，化学处理反应器，生物处理反应器中得到了较为广泛的应用。t o d a 和t y a n o l l j 等将大气泡及微小气泡的氧传质模型、污泥沉降模型、微生物反应模型【2 j 加入c f d 三维 多项n s 求解器中，并校核了包含于模型中的所有参数，发现计算结果与试验结果基本 一致。h a z e n 和s a w y e r 通过f l u e n t 软件对反应器的水力停留时间进行了模拟计算， 然后把模拟计算结果与实际测试结果相比较，发现两者误差非常的小，甚至可以忽略。 巴黎v i v e n d i 水研究中心正在采用f l u e n t 软件进行管道工程中流体流动的仿真模拟。 此外，该中心也正在把此软件应用于水环境的生物化学过程和固体废物处理的模型中， 以推动该软件在水工业中的应用。 从我国的研究现状来看，曾光明【3 1 ，e c h a t e l l i e r 4 1 等也以典型城市污水处理厂为例， 利用涡量一一流函数法建立控制方程，并以控制容积法对方程进行了离散，速度分布场 被求出后，针对于沉淀池浓度分句采用二维浓度迁移方程进行计算。通过与实验数据的 对比，验证了方法的有效性与可行性。韦安磊【5 j ( 湖南大学) 等运用f l u e n t 软件模拟了 某污水处理厂二沉池内的流场，得到二沉池内部流场速率分布规律及流态临界位置水流 速率，并通过模拟结果分析对二沉池内结构进行了改造，以此增大了二沉池的处理量。 我国在应用c f d 技术优化水处理反应器的设计和运行方面仍处于起步阶段，与国外 相比差距很大，主要表现在：利用c f d 技术优化反应器设计和运行的研究以流场分析为 主，多从反应器结构，运行条件的改变对水力特性影响的角度提出优化设计和运行得措 施。另一个方面是数值模拟结果缺乏模型试验和实测数据验证。其次由于氧化沟技术是 从国外引进的污水处理技术，国内对氧化沟更注重污水处理效果和推广应用等的研究， 关于水流在氧化沟的流态研究较少。 1 2 2c f d 在氧化沟工艺中应用的发展现状 国内方面，程文等【6 l ( 2 0 0 1 ) 幂l j 用气液两相湍流的流动模型并建立了一个方形有机玻 璃容器来模拟曝气池中的两相流运动，发现了两个循环流的存在，模拟同实验结果相一 致。罗麟等f _ 刀( 2 0 0 3 ) 利用三维k f 湍流数学模型模拟了一体化氧化沟的流场，采用滑移 网格技术模拟转刷的转动及沟内动力的来源，对沟内流态进行了详细分析，在水动力学 3 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 层面提出了对现有设计进行优化改进的措施。张宗才等( 2 0 0 4 ) 采用k s 紊流数学模型对 卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟的流场及水力学进行了分析计算，模拟了氧化沟水体的流动 状态。赵星明( 2 0 0 7 ) 针对氧化沟弯道水流流念复杂的特点，分析了弯道横向环流和水 流流速在弯道重新分布对污泥沉积的影响，对设置偏导流墙前后的水流流速分布情况进 行模拟比较，探讨了偏置导流墙对减少污泥沉积的机理【8 】。许月宇( 2 0 0 8 ) 采用c f d 数 值计算的方法研究了卡鲁塞尔氧化沟工艺的污水、污泥两相水力特性。将污泥沉降模型 进行湍流影响修正后与两相湍流混合物模型耦合，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1 9 】。总的来说，国内近几年在氧化沟的数值模拟方 面取得了很大的进步，但只限于单相的流态模拟，在关于氧化沟的多相流模拟方面还存 在一定的欠缺。 国外方面，s t a m o u ( 19 9 3 ) 采用2 d 垂直平均k 一占湍流模型来模拟氧化沟。k a r a m a 等 ( 1 9 9 9 ) 使用c f d 软件工具p h o e n i c s 模拟研究了厌氧活性污泥反应器，模拟结果同 r t d ( 停留时间分布) 和o r p ( 氧化还原电位) 测试的结果具有一致性。d e c l e r c q ( 1 9 9 9 ) 等用 i d 模型来研究氧化沟中简单的水力学特征。s i m o n 等( 2 0 0 1 ) 发展了基于质量和动量平衡 的理论模型来预测叶轮产生的流体平均循环速度。l i t l e t o n ( 2 0 0 1 ) 采用动量源项方法和3 d 流体力学模型来模拟转碟驱动全尺度氧化沟和实验水池中的流场。a b u s a m 等( 2 0 0 1 ) 采用 多个串联反应器模拟研究氧化沟中的传氧率。t o d a 等( 2 0 0 6 ) 将四个模型：微生物反应模 型，污泥沉降模型，粗气泡传氧模型，微气泡传氧模型加入到3 d 多相流湍流模型，研究 分析了活性污泥系统中的生物反应和污泥流动过程。 1 - 3 本课题的研究内容及意义 1 3 1 问题的提出与研究意义 综上所述，氧化沟工艺具有的众多优点使其在国内外污水处理行业得到了普遍的应 用。特别是在国内，近几年来，氧化沟更是普遍被作为污水处理工艺。氧化沟是延时曝 气系统，其处理能力高于其他生物处理系统的重要原因就在于它具有独特的混合性能。 混合对于有机碳、氨氮、硝酸盐和固体的去除作用不可低估。为了获得氧化沟独特的混 合效果，在运行过程中需要维持相对较高的活性污泥固体量，若因污泥在沟中沉积，氧 化沟系统的证常运转就会遭到破坏，使出水效果急剧下降。因此，混合液需以一定流速 在沟中循环流动，一般认为沟底大于0 1 5 r n s ，这流速应使活性污泥固体在沟中任 位置均保持悬浮的状态，以保证沟中不发生污泥沉积，为保证底部流速达到这一数值， 长期以来认为只要能够保证沟中平均流速达到0 3 m s ( 指主沟中不发生沉积所需的平均 流速) ，氧化沟便具有了足够的混合推动能力。但是，由于近年来采用的氧化沟沟深较 4 第l 章绪论 大，且基本采用的是转刷曝气机和转盘曝气机等曝气设备，转刷浸没深度一般为3 0 0 m m ， 转盘一般4 5 0 5 0 0 m m ，与氧化沟水深( 一般为3 o 一3 6 m ) 桂t 比，所占比例很小，因此在曝 气机后，混合液形成上部流速大，而底部流速却很小( 1 0 0 0 云= 一g g 棚声m 一警 ( 5 1 2 ) ( 5 1 3 ) 最简单的代数滑移公式是所谓的漂移流量模型，其中粒子的加速度由重力或离心力 给出，粒子的弛豫时间考虑其它粒子的存在而被修正。如果没求解滑移速度，混合模型 就简化成了均匀多相流模型。除此之外，混合模型还可以为滑移速度使用其它代数滑移 方法来用户定制化( 用户定义函数) 。 5 3 6 第二相的体积分数方程 从第二相p 的连续方程，可以得到第二相p 的体积分数方程为： 旦鱼考_ + v g p p p 孑m ) ：一v g p p p 孑d p ) c 5 ，4 ) 5 4 小结 本章首先介绍了多相流的研究方法，然后通过对比f l u e n t 中两个多相流模型即混合 物模型和欧拉模型的特点，最终确定采用混合模型计算模拟卡鲁塞尔氧化沟内部固液两 相流。另外对m i x t u r e 计算模型进行了概括说明。 盛一m 瓦 p 一 i i 第6 章c a r r o u s e l 氧化沟i 州液两相流的数值模拟 第6 章c a r r o u s e l 氧化沟固液两相流的数值模拟 本章将在三维流场模型计算中加入污泥相的浓度和入口速度进行模拟计算，对由 l a n d y 删- f 、i a n d y 札7 高效率曝7e 叶轮驱动的氧化沟内部固液分离效果进行分析。 6 1 模型的确定 本文采用有限元商用软件a n s y s 中的f l u e n t 计算流体力学对氧化沟三维模型的 流念和固液两相分布情况进行计算分析。本模型在第四章原有氧化沟模型的基础上进行 两项流的数值模拟，并在厌氧池内加入两个水下搅拌器，防止厌氧池内大量污泥的沉积。 关于由l a n d y t m f 、l a n d y t m 7 高效率曝气叶轮驱动的c a r r o u s e l 氧化沟固液两 相流数值模拟，其网格的划分同单相数值模拟相同，只是在边界条件的设置时加入了污 泥相的相关参数，污泥密度为1 0 5 0 k g m 3 ，黏度为0 0 2 0 0 1 k g m s ，颗粒直径为0 0 0 0 2 1 m ， 固体体积分数为0 3 5 。 6 2l a n d y - f 驱动的c a r r o u s e l 氧化沟的模拟结果与分析 燃；：f 荔 ￥黝 l ms 1 l 图6 1l a n d y f 驱动的氧化沟内部流体的流线图 f i g u r e6 1f l u i df l o wl i n eg r a p ho f t h eo x i d a t i o nd i t c hw i t h i nl a n d y - f d r i v e n i n g 混合液在氧化沟中进行循环流动，在曝气叶轮的下游远离叶轮的直道段，水流相对 比较稳定，如图6 1 所示，而在靠近叶轮部分，混合液的紊动性比较强。关于具体的混 合液流动速度的分布情况，分上( 深度0 5 m ) 、中( 深度2 2 5 m ) 、下( 深度4 2 5 m ) 三 个断面的速度分布来分析。图6 2 为氧化沟内部不同深度处的流速分布状况，在两个曝 气机所在的区域因为流速过大，超过图例所示最大流速值的区域呈现为空白。在曝气叶 轮的驱动下直沟段靠近曝气叶轮部分的液流被加速，水体动能大大增加，上层区域混合 液的流动速度比较大且上下紊动剧烈，f 是通过湍流垂向作用使得上部告诉液流向中部 和下部进 j 二均稚。除了曝气机下游靠近叶轮、贴近外壁面的部分在0 6 m s 外，其余的部 4 5 翳溺二二搿豳同泌鍪 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 分均在0 6 m s 以上，而贴近内壁面的部分高达1 5 m s ，而曝气叶轮区域的速度要远高于 1 5 m s 如图6 2 ( a ) 所示。中层的速度如图6 2 ( b ) ，整体上要小于上层，直道段的低速 区域和上层一致，但这一区域的流速要保持在0 4 5 m s 以上，在曝气叶轮的小部分区域 混合液的流速依然在1 5 m s 以上。下层的速度和上中两层的分布情况有所不同如图6 2 ( c ) 所示，在入口处直道液流与弯道外侧( 凹边) 壁发生冲撞，流体的动能骤减，所 以弯道出 j 处速度减少，同时受到底面摩擦阻力的影响整体速度相对较小。在弯道入口 出现了小于 历莲铡 幽蒸豢 愿鲞3 5 c 囊，o 谥溅o 0 ：o 二- 鞋o 簟震豢 慝囊未 彩臻b t r 6 5 0 。o - 一o ： 缓缀2 ：) 2 0 5 0 一。- - i i ： 幽薷豢 o 3 m s 的流速。 ( a ) 沟深为0 5 m 处混合液流速分布 ( b ) 沟深为2 2 5 m 处混合液流速分布 ( c ) 沟深为4 2 5 m 处混合液流速分布 图6 2 氧化沟不同深度流速分布图 f j 9 6 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n td e p t h so fo x i d a t i o nd i t c h 总之，在整个氧化沟内部，两个曝气叶轮的位置为高速区，上层的速度大于中下层， 中层比较稳定，下层在弯道入口处出现低速区，直道挡板处的流速要高于外壁。针对氧 化沟内液流的流动状态，本课题分别截取氧化沟中0 5 m 、2 2 5 m 、4 2 5 m 、4 4 5 m 4 个不 同水深处的固相分布情况进行分析，固相( 污泥) 的分布状态用污泥体积分数进行间接 的分析。由于上层流速较大，液流的紊动强度大，其固相体积分数在0 3 以上如图6 3 4 6 模拟 ( a ) ，固液两相混合较好。由于重力的作用，中层固相的体积分数比上层略高，但含量 不大，且均匀，如图6 3 ( b ) 。 通过图6 2 我们介绍了氧化沟内部整体的流速情况，但是水平速度并不是直接影响 固体悬浮的凶素，在第五章的内容中我们介绍了氧化沟不同位置处纵垂两向的流动分布 是决定沟内水利特性的主要因素，横向流速决定了可能发生污泥沉积的位置，垂向速度 决定发生污泥沉降的可能性，总之污泥沉积足横、垂两向流速与该处水体动能共同作用 的结果幽”。 在远离曝气头的直道段的流速上部大，底部小，由于底层的垂向速度较低，故固相 体积分数相对较大如图6 3 ( d ) ，其含量在o 3 7 左右，比进口处略高，但不明显，说明 此处不会出现大量的污泥沉积。 易殇；型6 d ：二鞋0 豳熏至 嬲囊g o 美o - ( i 幽薰未 幽薰囊 ( a ) 沟深为0 5 m 处为污泥的体积分布 ，。物嘴 _ | 一”戮黪骖黪稽铲 铲 铘荔j” ，一、，、 垆。 霭 # ， ， * 铷躐i “”气， ? 二 一口、= 、t $ 。j，j 。”秀鞔 一。臻糍锄锈嘞场戮粥鼢j + ：i 。二一? 一j j 。 ( b ) 沟深为2 2 5 m 处污泥的体积分布 堍? ；“。? j 。| ，i 7| 。 。 7 ，；毪臻罄驾 i 蘸墨 j e 弩 。“ j 9 镳 哆 、 。， pz 嚣张镕； ( c ) 沟深为4 2 5 m 处污泥的体积分布 4 7 。 ， 。，乳 ，一* 撕 一 搂 一 一 一 飘 ， 男 ，“ 狲 ，罗 ，“ 锄 一，。一 w 。譬i 鬻。 谭，q， 爨，一 。0 ， 。， ， 如，。彰一锈 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 铉 鳝 ”。 鳜 ( d ) 沟深为4 5 m 处污泥的体积分布 图6 3 氧化沟不同深度污泥体积分布图 f i 9 6 3s l u d g ev o l u m ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n td e p t h so fo x i d a t i o nd i t c h 在弯道入口处，污泥体积分布相对较高，进入弯道后的水流在形态和结构上较直道 都发生了调整和变化，水面形成横比降压导致断面出现横向环流，通常该流动会造成弯 道外侧被冲刷而内侧出现污泥的沉积( 李伟民等，2 0 0 1 ) 。在出弯口处时，因水流与弯道 外壁发生强烈的冲刷，使该处的流速骤降导致底部污泥浓度相对较高( 污泥体积分数0 4 5 ) 而出现的污泥淤积。 在弯道出口处，也就是曝气头下游靠进曝气头装置的位置，液流流经弯道在出口处 时流态已经发生了很得变化，由于出水流与弯道外壁发生强烈的冲刷，轴向速度在该处 的流速骤降。除此之外的其它位置受理心理和惯性力的同时作用，流速依然沿径向上升， 说明出弯道后的液流在一定距离内最大流速仍然靠近外侧，横向速度在出口处趋向弯道 外侧，在近壁面处被折射并发生方向的改变。由于出口端的内侧附近液流动能较低，固 液两相流速出现明显差异，弯道出口及内侧区，污泥的体积分布相对较大，在o 4 2 左右。 6 3l a n d y - 7 驱动的卡鲁塞尔氧化沟的模拟结果与分析 将6 2 模拟内容中的l a n d y - f 曝气机改换为l a n d y - 7 进行重新的模拟计算，其他条 件均合l a n d y - f 相同。图6 4 为由l a n d y - 7 驱动的氧化沟内部混合流体的流线图。 本模拟实验依然截取了上( 深度0 5 m ) 、中( 深度2 2 5 m ) 、下( 深度4 2 5 m ) 三个 断面的速度分布，在两个曝气机所在的区域因为流速过大，超过图例所示最大流速值的 区域呈现为空白。 由l a n d y - 7 驱动的氧化沟内部流体的流动状念和流速分布的变化趋势和由l a n d y - f 驱动的氧化沟内部流体的流动基本一致，但是整体速度要比前者高。后者在曝气叶轮区 域的液流速度高于1 5 m s 的区域要大于前者如图6 4 ( a ) 所示，而中层的速度分布和前 者的上层速度大小接近，最低保持在o 6 m s 的状态。底层的最低速度也保持在0 3 m s 。 4 8 裹 舔瞄 f ms “一1 】 图6 4l a n d y - 7 驱动的氧化沟内部流体的流线图 f i g u r e 6 4f l u i df l o wl i n eg r a p ho f t h eo x i d a t i o nd i t c hw i t h i nl a n d y - 7d r i v e n i n g 1 5 口一n 1 2 c r n 1 3 0 rnd 1 口5 0 rn 口 9 d e d 1 8 2 5 口一d1 5 2 5 0 al 3 口d o nz 1 5 o 一1 口口d e rn a ( a ) 沟深为0 5 m 处为污泥的体积分布 ( b ) 沟深为2 2 5 m 处为污泥的体积分布 ( c ) 沟深为4 2 5 m 处为污泥的体积分布 图6 4 氧化沟不同深度速度分布图 f i 9 6 4v e l o c i t yp r o f i l ea td i f f e r e n td e p t h so f o x i d a t i o nd i t c h 4 9 零。嘞二一鲨 黑一锈一蓄 黑 馨= 荔 c a r r o u s e l 氧化沟的数值模拟 此外，我们对l a n d y - 7 驱动的氧化沟的内部混合液的速度分布进行分析，发现其在 纵横垂i 个方向的分布和单相流存在一定的差异。 2 5 0 e + 00 2 0 鑫e t 0 0 l 。5 d e o d x v 尹lo c l t 蔓 6 8 b e o l h 麓蔺：= ： 一1 0 任e + oi l l 6 翁o e - ol 4 办a e o1 1 2 o o 匕一0l d 靠o 世十0 0 2 o d e 一口l j 1 秘寥e al b 蠡o e al _ 半翦o e o l 一1 o o e + 0 n - 1 2 d e 0 0 8 0 9 e oi 6 霉0 e ol 曩办o e - 0 l 2 驻8 e 一口1 1 b 办o e _ o0 2 垂d e - ot _ t 0 d e - ol b 垂8 e - ol l 嚣一9一b一785- 432一l0 p 0 8 t i o n m 】 ( a ) 断面b 的x 方向速度分布 - 10987奄一5t32- lo p o s t o ni m 】 ( b ) 断面b 的y 方向速度分布 一t8987854 32一l0 p o s ! t o ne m j ( c ) 断面b 的z 方向速度分布 上层中层e 下层 图6 5 曝气头下游靠近叶轮段流场分布图 f i g 6 5d i s t r i b u t i o no f f l o wr a t ei nd o w n s t r e a ms e c t i o nn e a rt h ea e r a t i o ni m p e ll e r y 飚。匕no 聋 引m v z 魁c 乞n o a 打 引沁 y 第6 章c a r r o u s e l 氧化沟i 吲液两相流的数值模拟 v 盛嚣为h 黯阁 1 1 0 e t o o 1 2 0 e + b 0 1 n b e + a 0 b 垂b e 一0 l b 垂d e - o l 4 翁8 e _ 0 l 2 o b e - ol 口嚣n e 巾0 0 1 5 0 e 一0 l 1 0 0 e o l 5 鑫o e 0 2 仔彝o e 牛0 0 一5 。垂d e 0 2 一1 垂8 e - o l _ 1 5 0 e 舯o l 8 蠢n e 0 2 b 鑫珏e 一0 2 薯垂8 e b 2 2 8 口e 一0 2 b 器晷e + 00 2 垂b c 一0 急 - 4 8 d e 一0 2 一b 8 睡e 0 2 一b o & e - 0 2 一l 雾 矿。 - 二二二一i j 1 _ _ _ _ _ _ 删r _ _ _ _ 广州_ _ _ _ _ 。r _ 州_ 。r _ _ _ _ _ 。r _ 州_ _ 1 _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ - 一“ 一987 番一弓一l一32一lo p o s t o nl f r t 】 ( a ) 断面c 的x 方向速度分布 一l 垂- 9一b一7 65一薹一3- 2一lo p o s t o nl 泐j ( b ) 断面b 的y 方向速度分布 一垂一9一b一7- 1 85一一32一lo p o s t o ne m 】 ( c ) 断面b 的z 方向速度分布 上层中层a 下层 图6 6 曝气头下游远离叶轮段的流场分布图 f i g 6 6d i s t r i