（环境工程专业论文）气浮池分离段的数值模拟研究.pdf

摘要 气浮是一种较新型的净水技术，目前已经广泛应用于给水和排水处理中。气 浮净水的过程比较复杂，目前工艺设计的相关参数都是先依靠经验确定，再通过 实验进行调整。但气浮作用的机理还远未能直接指导实践，需要进一步研究。 数值模拟技术是基于计算流体力学的一种仿真技术，简称c f d 技术，近年 来，随着计算机技术的飞速发展和计算能力的长足进步，c f d 技术已经应用到 很多领域，在水处理技术的科学研究中也发挥了重要作用，取了了丰富的成果。 本文在总结前人对气浮技术的研究成果的基础上，利用n u e n t 软件，对占气 浮系统大部分体积的的分离段进行了数值模拟。建立了初步的可信的模型，并利 用模型对分离池中的固相密度、进水流速、絮粒粒径和池深进行了参数影响研究， 获得了一些为气浮池结构优化的必要信息。 研究结果表明，利用欧拉模型对气浮池分离段进行模拟是可行的，絮粒的粒 径在圃液分离的过程中起着至关重要的作用，固相密度与进水流速在一定的条件 下会影响气浮的效果，水池的形状对气浮效率也有重要影响。 本文的研究为气浮池的研究提供了一条新的思路，c f d 技术必将在未来的气 浮池等工程设计中起到重要作用。 关键词：气浮池数值模拟c f d 技术固液分离 a b s t r a c t f 1 0 t a t i o ni sar e l a 廿v en e wt c 蜘q u ef o rw 船t 删a t e r t i th a sb e e i l 谢d e l y a p p l i e d 访w a t c rs u p p l ya n dd r a i n a g e f 1 0 协t i o nc o n t i a i l ss o m ec o m p l c xp r o c e s s ，s o p a r a i n e t e r sd 谢n gd e s i 弘a r eu s u a l l yc o n f i 肌e db yc x p 甜e i l c e ，锄da d j l l s t c db y e x p e f i m e n t t h ep 州c u l a rm e c h a l l i 锄o fn o 枷o np r o c e s si sn o th l o w na c c l l r a t e l 孔 f i l r i h e rr c s e a r c hi sr e q u i r c d c o m p u 伽。衄lf l u i dd y n a r n i c sm 岫o d h a sd 耐o p e d r a p i d l y 嬲s 0 0 na sm ef l y i i l g d “e l 叩m e n to fc o m p u t ea b i l 蚵o fc o m p u t 既a i l dc f dt e c h n i q u eh a sl e dt oa 1 0 to f p r o d u c t i o ni i lt l l er c s e 疵ho f w a t e r 仃朗n n 锄t b 髂e do n 吼m l m e r i z i n gm er e s e a r c hp r o d u c t i o no fn o 锄o ni i le x i s t c e ，也i s p a p e ru s e st l l ec f d s o n w a r ef l u e n tt 0 删m e f i c a l l ys 曲u l a t es 印a r a t ep a no fn 比m o n t a l ：l l 【，w l l i c ha c c 0 哪n t sf o rn l em o s tv o l 砌eo ft o t a ln o 钏o ns ”t e m as i l p l e 姐d r e a s o n a b l em a t l l 蜘a t i c a lm o d e lh 船b e e ne s t a b l i s h 。dn l u 曲t l l es t u d y t h i sm o d dg e t ss o m en e c e s s a r yi n f or i 】商o nd b o u t 也es 咖c c i l r eo p t i m i z a _ t i o n 缅飒喀1a n a l y s i so fm ei n 丑u e n c ew h e i ls o l i dd s i t y ，i n 最o wv e l o c i 咄p a n i c u l a r d i 锄e t 盯趾dd e p 协0 f n o 咖l a t i o no n1 1 l et a n l 【a r ec h a n g e d w e p r o v c dt h a te u l e rm u l t i p h 船em o d e li s 鼠五t a b l e 矗) rs i 砌l a t i n gs e p a m t ep a f to f n o 伽o nt a 】血f l o c c u l a t i o np a c l l l a rd i a m 曲e rh a si m p o r t a n te 饿埘o ns 印a m t i o n a n dw e 岛u n dan e ww a y 岛r r e s e a r c m n gn o t a t i o nt a 】= l k i ti sb c l i e w 缸t 王l a tc f d w n l p l a ya i li i n p 硎彻tr o l ei c n g i n e e 血gi n 劬= i l r e i 【帮w d r d ：毋o m n o nl 册k ：骶m e r i c n is i 跳l i n t i o n ：c f d ；s p 矾t m gs o f i d m m | i q 谢 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 壅士垒： 埘 厂j 年6 旯kb 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者。签名，：墨：主童掣影年 月f ，日 1 绪论 1 1 课题背景 人类已经进入二十一世纪，当前，环境问题日益严峻，水资源问题尤为突出， 亟待解决，战略家预言“2 l 世纪是石油让位于水的世纪”，以缺水、水域污染和 饮用水质量下降这“三大挑战”为核心的水危机，将成为继2 0 世纪能源危机之 后2 l 世纪的最大危机。 目前，我国水资源短缺形势也十分严峻，且水资源时空分布不均。随着我国 晷民经济的高速发展，人口的剧增，工业化和和城市化步伐的加快，用水量不断 增加，污水排放量也相应增加，各种污染物排入水体，进一步加重了水资源的短 缺。目前北方绝大多数城市已出现了缺水现象。 我国的污水处理与回用的技术还比较落后。有必要进一步加大投资力度，但 目前投资兴建的水处理构筑物在设计上过多的依靠经验，容易造成在设计上的保 守。 污水处理的主要目标是去除水中的悬浮物或者溶解态的污染物，如胶体粒 子、颗粒物质、b o d 、c o d 等。从水中去除污染物的途径有物理、化学、生物 的方法等等，无论哪一种方法，都需要经过一定的废水处理单元设备和操作。但 是，目前对各种单元设备的工作机理并不是研究得很清楚，对某些处理的过程和 机理作了过多的假设和简化，和实际情况并不十分符合，有进一步研究的潜力和 需要。 近几十年来，随着计算流体力学技术( c f d ，全称c o m p u t a t i o n a lf l u d d y i l a i l l i c s ) 的发展和计算机计算能力的提高，数值模拟技术越来越广泛的应用到 实际的生产和研究中。c f d 即通过数学方法对实际工程设备的运行状况进行仿 真模拟，从而对工艺设计提供指导私参考。 c f d 技术的应用领域极其广泛，涉及到航空、电子、化工、汽车等各个行业。 在环境工程中也有不少应用，这种方法具有简易、迅捷的特点和巨大的包容性， 而且相对于物理实验来讲，有成本低，周期短等优点。拥有广阔的发展前景。 气浮是一种较新型的净水技术，目前已经广泛应用于给水和排水处理中。作 为一种高效、快速的囿液分离技术，气浮法最早应用于选矿【i 】，其原理是在含有固 体矿物颗粒的水中通入空气并制造出大量微小的气泡，气泡在上升过程中与所需 要的矿物颗粒粘附在一起并带至水面，从而达到固液分离和富集矿物的目的。把 这种工艺应用到含固体杂质较多的废水中，能够达到较好的净水效果。特别是在 造纸、屠宰等工业废水以及除色方面，有很好的应用实例【2 。7 l 气浮净水的过程比较复杂，目前工艺设计的相关参数都是先依靠经验确定， 再通过实验进行调整。但气浮作用的机理还未能与实践结合，需要进一步研究。 1 2 气浮池工艺概述 1 2 1 气浮池净水原理概述 气浮法净水的过程主要有四个关键步骤： ( 1 ) 加絮凝剂在水中形成利于气浮的絮凝体。 ( 2 ) 制造大量的微气泡。 ( 3 ) 将气泡和絮体充分混合，形成具有良好疏水性质的气固结合体。 ( 4 ) 保证结合体成功上浮并与水体分离。 下面详细介绍四个步骤中涉及的物理化学原理： 1 2 1 1 絮凝体形成的原理 天然水和废水中常含有胶体颗粒。由于胶体颗粒的尺寸很小，而且带有电荷， 在水中既难于自然下沉也难于自然上浮，故很难直接去除。要想去除胶体颗粒， 就必须使胶体颗粒脱稳。脱稳的方式就是加入絮凝剂，常用的无机絮凝剂有聚合 硫酸铁( p f s ) 、聚合氯化铝( p a c ) 、聚硅硫酸铁铝( p f a s s i ) ，有机絮凝剂有聚丙 烯酰胺( p a m ) 等。 这些絮凝剂既有吸附水中离子而产生双电层的憎水胶体的特性，又有吸附厚 的水分子层以及产生类似胶凝的网状结构的亲水胶体的特性。这样既能起到沉淀 法所需的凝聚、沉降作用，又能实现气浮法所要求的凝聚、粘附气泡和上浮作用。 铁铝系絮凝剂在废水中水解产生的络合物既具有憎水胶体的特性，又具有亲 水性胶体的特性。脱稳后的胶体通过化学吸附和物理吸附粘附在含有憎水基团的 絮体颗粒上，形成疏松的具有网络结构的絮体。 2 网络结构的絮体颗粒表面凸凹不平，孔隙密布，比具有相同体积的球形颗粒 的表露积要大很多，并且具有继续长大的特性。 1 2 1 2 气泡产生方法 气泡的产生是气浮系统的关键步骤，微气泡产生的方式可分为以下四种： ( 1 ) 电解法：是向废水中加入一定电流，则废水被电解出h 2 、0 2 和c 0 2 等微 小气泡，这些微小气泡浮载能力大，它将吸附废水中微小悬浮物并上浮加以去除， 以达到净水的目的f 2 ( 2 ) 分散空气法：采用微孔、扩散板或微孔管直接向气浮池通入压缩空气或 采用水泵吸水管吸气、水力喷射器、高速叶轮等向水中充气，可分为扩散板曝气 气浮、水泵吸水管吸气气浮、射流气浮、叶轮气浮。 ( 3 ) 溶气气浮法：使空气在一定压力下溶于水中并达到饱私状态，然后再使废 水压力突然降低，这时溶解于水中的空气便以微气泡的形式从水中放出，以进行 气浮废水处理，可分为加压溶气气浮和真空溶气气浮，其中的部分回流式压力溶气 气浮是水处理中常用的工艺【3 1 ( 4 ) 静电喷涂空气法：是一种相对比较新的在液体中产生气泡的方法。在这种 产生气泡的方法中气体通过毛细管在毛细管顶端的液体介质中产生气泡，毛细管 带电作为系统高压诱导电场装置的电极，毛细管顶端上的静电应力使气泡进入溶 液，分解产生范围l o 1 8 0 斗m 大小的微气泡。 气浮设备产生的微气泡，直径一般在1 0 1 0 0 u | n 。根据表面负荷的不同有不 同的最佳值。1 1 0 气泡外包着一层带有憎水性的弹性膜，内层膜( 附着层) 和排列疏 松的外层膜( 流动层) ，气泡膜的韧度和强度随水的表面张力的减低而增强，结构如 图1 3 f 1 1 】。关于气泡电荷闯题，日本学者曾测定f 电位为1 5 0 m v ( p h 7 ) ，并认为( 泡 不会相互枯附 1 2 】【1 3 】。但同济大学研究结论表明，微气泡电性的不同取决于处理液 性质与成分，而且带电量相对较低。 由于气浮技术的主要区别就是气泡的产生方法，因此气浮净水技术可按此分 为电解法、分散空气法、溶气气浮法、静电喷涂空气法。 图1 3 微气泡构造示意图 1 2 1 3 粘附机理 一般气泡和絮体颗粒的粘附过程分为四个阶段： 第一阶段：气泡与絮体颗粒的相互靠近。在这一阶段，气泡需要克服普通水 层的阻力作功。 第二阶段：絮体颗粒与气泡外层的水化膜接触。 第三阶段：水化膜的变薄和破裂。 第四阶段：气泡与絮体颗粒的粘附。 气泡与絮体黏附的方式有三种 1 碰撞黏附。 2 絮凝体对气泡的网捕，卷扫和架桥作用。 3 微细气泡在絮体颗粒上的析出及共聚并大。 1 2 1 ，4 气浮设备的分类 目前国内应用最广泛和最成熟的方法是溶气气浮法。但是由于溶气压力罐的 存在，此法占地大，能耗高的缺点无法避免。其次是涡凹气浮法，解决了占地大 的问题，但是气浮曝气头的设计是一个难点，时间一长就容易造成堵塞。新兴的 气浮设备还有高效浅层气浮、逆流共聚气浮、m k 气浮等等。 4 1 2 2 国内外研究迸展 1 国夕 美国的两位学者1 4 1 于1 9 6 3 年最先提出了沉淀气浮的技术。接着许多化学和 选矿工作者在这一领域进行了大量的研究工作。k s k a b n l a m 【i 副和j e 硒e t 陆等 人“司研究了表面活性剂在固、液界面的吸附特性和键作用本质；r u b b i i l 等【 j 研 究了用气浮法处理含铜离子废水过程中，气浮速率和去除率，以及用十二烷基硫 酸钠作捕收剂时，p h 值对氢氧化铜沉淀浮选的影响。 d j w i l s o n 等人【1 8 】首先对沉淀气浮机理进行比较系统的研究，从1 9 7 4 年以 来，他们发表了一系列关于沉淀气浮机理的研究文章，研究了沉淀颗粒的沉降和 聚集及其向水一气界面的碰撞和粘附的行为 ，推导出了颗粒和气泡的碰撞频 率公式，并以此来描述沉淀气浮的动力学特性。他们研究了沉淀颗粒问的相互作 用【捌，提出了用于计算一般沉淀颗粒间相互作用能的数学模型。利用双电层理 论推导了固液之间的反应自由能，他们还发现泡沫之间存在电渗现象，并计算 了流动电位。还利用双电层的g o u y c h a p m 趾模型 2 l 】和改进g o u y - c h a p m a i l 模型 【捌计算了在电解质溶液中表面活性剂与沉淀颗粒问的相互作用能，深入研究了 荷电沉淀颗粒向气一液界面扩散的规律，结果表明，气浮速率主要由边界层中沉 淀颗粒的浓度和泡沫上的沉淀颗粒的浓度之间的平衡决定，而边界层沉淀颗粒的 扩散迁移速率并不是主要影响因素。他们【2 3 1 通过对己吸附了表面活性剂的沉淀 颗粒与气泡的粘附过程的研究，计算了由于粘附引起的自由能变化，发现一般沉 淀颗粒的粘附作用远远大于热运动能。对影响气浮的动力学及其平衡因素的研究 结果表明，气浮受边界层的动力学传输过程控制。提出了库仑作用力和非库仑力 的统计模型，并计算了吸附等温线，得出了大多数与l a r l g m u i r 吸附等温线相符。 用平板电容器模式计算胶体表面电位即颗粒带电大小及其对金属离子回收率的 影响。他们还用非理想的p o i s o n - b o h z a n u n 数理统计模型，来完善表面活性剂在 固掖界面吸附等温线的计算。计算结果表明，存在邻位的库仑力显著地影响半 胶束的形成，从而影响表面活性剂吸附颗粒的疏水化，使之不易与气泡粘附。对 这一粘附力的大小，作者从表面化学和流体力学的角度，建立了比较简单的计算 模式。他们还研究了二组分竞争吸附关系及对气浮的影响。并运用先进的测试手 段，如准弹性散射，核磁共振波谱、稳态荧光熄灭技术等研究胶体结构、增溶效 5 应等。通过测量质子的纵向松弛时间，来观察表面活性剂离子在颗粒上的定向吸 附。 k j u r k j ew i c 一矧也用双电层理论解释电解质溶液中十二烷基硫酸盐在 c “o h ) 2 胶体上的吸附。gl c o l l i n s 【2 5 1 测定了气泡及颗粒物的电荷，及其对气浮 速率的影响。s k e l 由e k 等闭测定了疏水固体湿润的临界表亟张力y ，并从吸附 等温线上确定了这些疏水固体面上的表面压力以及湿润表面张力与这些疏水固 体气浮选择性的关系。j b r o n i s l a w 【2 7 1 测量了气泡从水中聚四氟乙烯( p t f e ) 的表 面脱除力和当脱除时p t f e 气泡一水体系接触角值。并对脱除力接触面盼半径， 液体表面张力，接触角和气泡半径之间的关系等作了深入研究。 在离子气浮的研究方面，己发展到对气浮机理的深入研究，其中离子和表面 活性剂之间作用的机理及影响因素研究较多，而气泡膜表面化学物理性质对气浮 的影响和动力学的研究办己引起人们的注意。 d s l y c h m i k o 、，【2 8 1 研究了杂多酸与酸性染料离子缔台物气浮的机理。a e c 五e 呔a s o v 2 9 】研究了c u ，z n ，n i 等离子气浮过程吸附，粘附的机理和离子气浮的动 力学。t k 0 1 a r o v 删研究了泡沫膜电荷和电位与膜厚度的关系，a v “s t o r i c | h i i 【3 l 】 研究了气浮过程表面活性剂，其动态吸附层吸附对界面膜稳定化的作用。ld s k r v l c v 【竭用杂凝聚理论解释电解质对月桂酸捕集汞进行气浮时的影响。b e c h i s t v a l ( o 扩3 j 研究了泡沫形成与基本性质，泡沫形成过程的特征参数，泡沫分散 速率( w p c ) 。不同类型表面活性剂和电解质浓度对气泡相对分散速率的影响。水 膜吸附表面活性剂后变得稳定， lj m e a l l 3 4 1 认为是由于吸附层产生了特殊的斥力，克服界面间的范德华 力。通过测量泡沫膜( 十二烷基聚乙二醇醚) 的厚度表明这种斥力不是简单地由于 吸附层空间相互作用引起，而是作用距离较长的水合力。对于控制气泡大小的有 效方法，a b g 0 1 0 v a n c h i k o v 【3 5 1 提出让空气离子化，使空气产生类似带电的离子。 r b g r i c v e s 等确立了在上升气泡表面，非表面活性待分离物表面活性剂平 衡离子交换模式的含义。发现在水溶液中碱金属阳离子，其气浮选择性顺序与它 们的绝对偏摩尔熵顺序相似。b k p i e 呦k 等刚对c r ( i i i ) 及其氢氧化物沉淀的 气浮动力学研究表明其动力学可由一阶速率方程描述。a i 周波莱斯等【3 8 】用不同 的表面活性剂对锗进行浮选机理的研究。 6 随着计算机技术的飞速发展，近几年来，利用计算机进行气浮工艺参数最优 化条件的研究及数学模型的建立也有诸多报道。如m c a b a l l 盯等口9 】，：用计算机 软件进行运算，找到了用油酸钠作捕集剂，f e ( o h ) 3 作共沉淀剂，c u ( i ) 共气浮 过程的最佳p h 值、气体流速、共沉淀剂及捕集剂的用量，诱导时间等参数。r h y 0 0 n 【删用计算机模拟气泡捕获颗粒物对微气泡浮选细小颗粒，发现提高气 浮柱的高度或减小气泡的直径可使气浮回收率大大提高。 h a n 等人的研究指出，当絮体颗粒尺寸与微气泡尺寸接近时二者的粘附效率 最大。j a 璐s e n s 【4 1 】通过研究发现气浮工艺的最佳g 值依赖于混凝剂类型。而a s k i 等人【4 2 】则发现，当g 值在1 肛5 0 s 的范围时气浮工艺对颗粒的去除效果很好，而 且高能量的输入可以显著降低小颗粒( 郇咖) 的数目，因而更能保证气浮的净水 效果。 关于气浮的停留时间，z a b e l 【4 3 1 认为，对气浮工艺而言有1 5 2 0 1 1 1 j n 的絮凝时 间就足够了，且增加絮凝级数后出水水质有所提高。，j a n s s 吼s 4 1 l 在气浮中试中采用 5 “i n i n 的絮凝时间也取得了较好的出水效果 气浮池( 包括接触区和分离区1 的水力学特征是影响气浮净水效果的一个重要 因素l 珊d 1 1 等人“1 分别测量了水与含气水两种情况下矩形气浮池分离区内的流 场特征，发现含气水在分离区上部出现分层流动，而不含气水则没有发生这一现 象。【肺曲等人4 5 1 又进一步分析了矩形气浮池分离区流场特征与水体中气相浓度 的关系，认为气浮池中的微气泡不仅仅是用以和絮体颗粒形成表观相对密度 o 8 5 ， 一= 砰“ 曰= 0 8 口j 工8 曰= 口? 酷 ( 2 1 2 ，3 2 ) ( 2 1 2 ，3 3 ) ( 2 1 2 ，3 4 ) 在前人对沉淀池模型的研究中，采用混合物模型( m i x t l 】m o d e l ) 得到了正确 2 1 的结果，但是经过实际验证，混合模型在固液两相的密度相差不大的时候能够得 到收敛解。但如果各相之间的密度差较大，迭代就容易发散，得不到收敛解。而 使用欧拉模型在密度差较小的时候，计算结果与混合模型相近，但计算耗时较长， 在密度差较大的时候，则能得到比较理想的结果。 因此，本文的算例均采用欧拉模型来模拟固液两相流的流场。 2 1 3 模型的数值求解方法 确定使用n ue 1 1 _ t 自带的分离求解器，即控制方程是分别解出的，计算过程需 要进行迭代以得到收敛的解。 因为实际气浮过程的排泥和刮渣是间歇式的，因此采用非稳态模型计算更有 利于课题的研究。 建立差分离散方程的方法有四种：有限差分法中的泰勒级数展开法，有 限容积法中的控制容积积分法，多项式拟合法和平衡法。f u j e n t 运用控制体积 积分法将微分方程进行离散，对时间项采用全隐式积分，对流项和扩散项分别采 用二阶迎风差分格式和中心差分格式进行离散，对源项进行负斜率线性化处理。 经过离散化后的统一形式的差分方程为： 如= 九+ 6 ( 2 1 3 ，1 ) 式中n b 一相邻节点。 离散后的差分方程通过s 瓜伸l e 算法来求解，具体步骤如下： ( 1 ) 假设初始速度分布，以此计算动量离散方程中的系数及常数项； ( 2 ) 假设一个压力场分布p t ； ( 3 ) 依次求解动量离散化方程，得到速度分布； ( 4 ) 求解压力修正方程，得弛 ( 5 ) 根据压力修正p 改进速度值； ( 6 ) 利用改进后的速度场求解湍流动能k 及湍流耗散率的离散方程： ( 7 ) 利用改进后的速度场重新计算动量离散方程中的系数，并利用改进后的压 场作为下一层迭代计算的初值； ( 8 ) 重复步骤( 3 ) 一( 7 ) 直至收敛。 收敛标准： 数值计算过程中是用迭代法来求解，理论上方程式收敛时，方程式两边 相等，但由于计算上的尾数误差与迭代过程中的系数变化，必定存在误差， 此误差值称为残差。本课题关于气浮池模拟计算的收敛标准是比较所有方 程式的误差，其中最大值小于1 0 4 为收敛的标准。【7 习 另外一个判断收敛的方式是质量守恒。当入流质量与出流质量只差为零的时 候认为计算正确，考虑到迭代产生的误差，认为误差率小于o 1 的时候得到收 敛解。 2 1 4 模型的验证 为了进一步说明模型的有效性，利用本文所选模型对哈工大的肖军伟引用的 加拿大温莎大学h 锄博士l9 8 3 年使用的矩形沉淀池内的流场进行数值模拟【7 7 j 。 h 玎嬲1 博士使用l d v 测定了平流沉淀池内的水流流场。 模型对沉淀池做了简化，去掉了泥斗。简化后的沉淀池的二维图形如下图： ，磊_ r r r 叠燃 。 l 一州 ，一镕。 高 溅蕊- m _ 迸曩 4 上。= = r 上一：王i 图2 1 沉淀池简化图 图中，沉淀池简化为o 7 3 m + o 1 1 9 m 的矩形，左边迸水右边出水，进口高度 为o 0 5 m ，出口高度为0 0 3 4 m 。 网格划分如下图： 图2 ，2 沉淀池网格划分 最终划得到矩形网格3 5 0 4 个，节点3 6 7 5 个。 1 边界条件： ( 1 ) 进水口采用流速入口边界，流速为o 2 1 8 m s ，紊流模型采用标准k e 模 型素动强度取1o ，混合长取o 0 0 2 2 5 m 。 ( 2 ) 自由界面采用对称边界( s y i i 皿e r y ) 。 ( 3 ) 出口采用质量出流边界( o u t n o w ) 。 2 计算结果和比较 流场图如下： 图2 t 3 流场图 取几个垂向断面的流速计算值，与实测值作比较： 2 5 露圈 耀蠢 黼瓣 麓_ 缓缀蘸 图2 4 断面流速分布的计算值与实测值对比 图中方形点是加拿大温莎大学的i m 锄博士用l d v 测试的结果【1 0 】，菱形点 为模型计算结果。可以看出，除了底部边界误差稍大之外，利用紊流模型计算结 果与实际情况吻合较好，甚至可以认为平滑的曲线代表了更精确的流场情况。 2 2 基本模型的建立 2 2 1 水池的简化与网格的划分 本文模型采用的原型是宜兴某污水处理厂的除色气浮池，采用溶气气浮工 艺，放在在二沉池后作为去除色度的工艺。水池的三视图如下图所示： 俯视图 7 7 5 【 8 正视图 侧视图 图2 5 模型原型的三视图 这套气浮系统采用溶气气浮技术，前部接触区( 左边方框) 同时有溶气水和 污水流入，采用侧面进水方式，加压溶气水由于压力骤减释放出过饱和的微小气 泡，污水中的悬浮物经絮凝剂作用后和气泡混合接触后进入分离区( 右边方框) ， 在分离区底部，有部分水回流进接触区进行再气浮，部分难以气浮的悬浮物沉淀 后作为底泥去除，大部分悬浮物与气泡结合后上浮至水面，在气泡层的支撑下进 入浮渣槽( 即正视图中的槽1 ) 以溢流的方式去除。清水则由下部进入清水槽( 正 视图中的槽2 ) 流出。此外浮渣槽和清水槽还有调节作用，能够在水量变化时保 持气浮池的稳定的运行状态。 流场是分离区气浮效果的重要影响因素，而流场的情况主要取决于池型和流 量，而且分离池的体积占整个气浮系统的大部分。因此c f d 方法研究分离区比 接触区更有优势，也更有意义。因此，本文只对气浮池分离段进行数值模拟。 简化后的分离区二维模型如下图： 进水口 回流 浮渣出口 r 叫甚 图2 6 二维模型轮廓图 分离池的尺寸为8 7 m + 2 6 m 。3 m 进行网格划分如下 图2 7 网格划分图 采用左边进水，右边出水的形式，根据水池形状将计算区域划分为4 2 3 0 个网格。 2 2 2 基本参数的确定 颗粒物在水中的运动主要受两个力影响，一个是水流的推动力f 1 ，主要为纵 向，一个是由密度差引起的浮力与重力的合力f 2 ，方向为垂向。在这个模型中， 密度认为不变，因此f 2 是保持不变的，而水的推动力决定于水池中的流场，而 影响流场的因素主要是进水流速和水池的形状。 理想的分离状态应该是水流平稳的，就像平流沉淀池一样，但这样做效率很 低。但是如果水流紊动过强，则容易破坏泡絮结合体，使固体颗粒脱离气泡，不 能正常上浮，不利于固液分离。通过数值计算，可以观察不同情况下水池中流场 的紊动情况。 根据前文的论述，采用混合二相流模型进行计算，以下一些基本参数的确定。 1 主相 主相为液态水，密度9 9 8 k g t n 3 ，动力粘度o 0 0 1 k g ，m s 2 次要相 次要相为固相带气絮凝体 针对计算作以下假设： ( 1 ) 认为进入水体的悬浮物是均匀的球体颗粒，粒径和密度都是相同的，随水 流进入。 ( 2 ) 认为进入分离池的悬浮物是已经与气泡结合完全的带气絮体，密度为定 值。且小于水。 ( 3 ) 不考虑回流系统。 ( 4 ) 不考虑温度的变化以及相间的能量和传质。 注：以下所称颗粒指匿体颗粒的干物质，絮粒指在絮凝剂作用下夹带了气泡韵絮 凝体。 2 其他 根据一般气浮池的运行情况确定本次模拟中的些重要计算参数：【7 6 】 分离区的表面负荷5 m 3 m 2 h ， 进水口高度1 1 m 颗粒的密度按1 2 0 0 k m 3 计算。 气浮池气固比约o 0 0 4 o 0 0 6 ( 气体与于物质的质量比) ， 有以下几个基本公式： g = q 4 ( 2 2 2 ，1 ) “= 彘 ( 2 2 2 ，z ) s 3 6 0 0 式中 q 一流量m 3 ，h a 分离池的表面积m 2 q 表面水力负荷m m u 入口流速i ，s s 入口面积m 2 可得q = 1 3 0 5 m 3 m ，u = 0 0 1 m s 关于气浮分离过程的讨论涉及三种颗粒，即原水中的悬浮物颗粒，微气泡以 及在絮凝剂作用下夹带了气泡的絮凝体颗粒，本文分别以下标g ，q ，x 表示 理想情况下，各颗粒的性质之间存在以下方程： m d 岛2 存 根据气固比的定义可推得 n 2 砺习万 q 2 2 4 矾广颗粒质量，k g v c 广_ 一气体体积m 3 v 广灏粒体积m 3 展，以，成絮粒密度，颗粒密度，气体密度，k g m 3 r 气固比( 质量比) 计算出絮粒密度岛为1 7 6 2 4 5 k g m 3 ，本次模拟取2 0 0 k g ，m 3 ，絮粒粒径设为 5 e - 5 m ，颗粒的动力粘度取o 0 0 1 k g ，m s 。 由于本模型中以流体中颗粒的体积比率的大小来表征悬浮物浓度，与颗粒粒 径无关，粒径的作用主要表现在求解方程的过程中，详见公式( 2 1 - 2 ，1 2 ) 和 ( 2 1 1 2 ，2 6 ) 。 进水悬浮物浓度取1 0 0 0 m 班，由 c = 岛畈o o o ( 2 2 2 ，5 ) 得则絮凝颗粒体积比率工为o 0 0 5 ，其中c 代表悬浮物浓度( s s ) n 虮 浮渣含固率的计算； 悬浮物的体积比 譬一浮渣的含固率 2 2 3 边界条件与初始条件 = z 柱 pg 1 进水口： 采用流速入口条件，由于次要相体积分数不高，颗粒的随流性好，可以按 牛顿流体来研究，主相和次要相的流速均根据前面的计算结果设为o 0 l m s 。并 且假定进水口处速度、断面的紊动动能和紊动耗散率都均匀分布，紊动动能k 和紊动耗散率根据紊动强度( r r 劬u l i m th l t e n s i 劬和水力直径( h y d 洲i c d i 锄c t 神确定。 大量的试验表明，边界条件的紊动参数的变化对计算结果影响并不大，这是 由于在大多数紊流流动中，对紊动的变化产生重要作用的往往是边界层而不是进 入流场的流体边界，因此计算结果对流入边界条件相对来说不敏感。因此本文计 算所用的边界条件紊动强度取默认值1 0 ，水力直径d h 以及膏、占的值由下列 公式确定 d 旷一水力直径 z 湿周 巩= 警 i = 兰o 。，) 2 “。边界平均流速 c 。经验常数( 近似为o 0 9 ) ，混合长( 混合长可以按水力直径的值计算) 2 出水口：出口采用质量出流( o u t f l o w ) 边界条件： f 1 u e n t 在质量出口边界处理为除了压力之外，其他参量的梯度为零。出口信 息从流场内部推导得出。另外，质量出流边界还提供了不同出口的流量权重，用 来控制每个出口的出流质量的比例。 一般说来气浮池的出口有三个，回流水出口，浮渣出口，清水出口。 回流水出口：涡凹气浮的回流装置设在池底，回流水由分离池直接进入接触 池底部。溶气气浮的回流系统是在气浮池外设专门的回流泵，将清水打入溶气罐 ：舻了 ：q i i 占 中用作后备的溶气水。一般涡凹气浮回流比为l o 哆“1 5 ，溶气气浮回流比控制 在6 r 1 0 。溶气气浮要更高一些。但是溶气气浮的外部回流在模型中不考虑， 分离池中没有回流。 浮渣出口：机械刮渣，出口质量约占进水质量的1 0 清水出口：底部出水，出口质量约占进水质量的9 0 根据实际情况，浮渣出口和清水出口的出流质量比设为1 ：9 。 3 自由液面： 自由液面采用对称边界( s y i i 皿哪) ，f l u e n t 中假定所有通过对称边界的变 量的通量为零。这种边界处理方式相当于无枯性的“刚性盖”，即除了垂向流速 为零外，其他变量的法相梯度为零。 丝：o 锄 西各变量的通量 4 边壁条件：采用w a l l 边界条件 固体壁面壁面处默认为无滑移边界条件，糙率o 5 。在固体壁面上，除了动 量的扩散以外，所有的通量值均可以指定为零。由于标准k e 模型为高雷诺数模 型，适用于离开壁厦一定距离的湍流区域，对于流体近壁区域采用壁面函数法； k 2 寿气2 譬旺2 幺m 其中 7o 一湍流切应力，n m 2 ； y 厂临近壁面的节点p 到壁面的距离，m 。 c 。常数o 0 9 5 初始条件： 初始条件设池中为清水，即工= o ，及t 、占的取入口处的值开始计算。 6 计算时间： 水池的平均水力停留时间 矿 f = 一 q ( 2 2 2 ，1 3 ) v 水池体积m 3 q 一流量m 3 m 为o 4 6 h ， 即1 6 5 6 s ，为消除初始条件产生的影响，本次计算到5 0 0 0 s 。 2 2 4 求解方式 1 离散方法 压力和流速离散采用p h a s ec o u p l e ds m l e 算法，正采用一阶上风格式， 动量、k 和e 都采用二阶上风格式。 2 时间步长 f l u e n t 用户手册建议的时间步长计算公式： 。2 叁 t 最大时间步长s 乜最小网格尺度m 哦计算域最大流速m s 计算得到最大时间步长为l s ，本文取计算时间步长为o 5 s 2 2 5 计算结果 在浮渣出口和清水出口计算到出水水质稳定为止，迭代的时间步长为o 5 s ， 计算时间取5 0 0 0 s ，需要迭代1 0 0 0 0 次。 计算结果如下： 流场图：下图为2 0 0 0 s ，3 0 0 0 s ，4 0 0 0 s ，5 0 0 0 s 的流场图： 图2 8 不同计算时间的流场图 由各时间的流场图可以看到，计算时间4 0 0 0 s 后的流场趋于稳定，这说明初 始条件对计算结果的影响已经消除，5 0 0 0 s 的计算结果可以看作是一种稳定的状 态。 下面对这个流场进行简单的分析： 池中存在一个较小的回流区，主要是由进水的惯性造成的，对水质会产生一 定的影响。全池水流整体较平稳。5 0 0 0 s 时的紊动强度分布如下图： 图2 9 仁5 0 0 0 s 时的紊动强度分布图 图2 9 中紊动强度( t l h b u l e n th l t e n s i t y ) 的范围从o 0 2 加8 4 图2 1 0 仁5 0 0 0 s 时悬浮物浓度分布图 图2 1 0 中v 0 1 u m e6 a 嘶o n 的值的范围是0 0 0 9 5 结果分析： 可以看到，水流流场紊动强度最高的地方位于进水口附近，这是由此处的回 流以及固液相的分离造成的。另外一个紊动较强的地方是出水口附近，但是预计 对出水水质不会有很大影响。 通过第二相的体积比率可以看出池内悬浮物浓度分布情况，由悬浮物的浓度 分布图可以看出： 浮渣能够很好的与液体分离，两个出口处v f 值分别为0 0 4 2 和o 0 0 0 0 5 ，按 公式折算成s s 分别为8 4 0 0 m l 和1 0 m l ，去除率9 9 。 实际气浮中浮渣层是漂浮在水面上的一层泡沫状物质，含水率9 9 左右，1 是气浮后富集的水中悬浮物，浮渣层与水面之间是一层已经上浮但并未逸散到空 气中的气泡，以保证浮渣层的稳定。 事实上，气浮池中的气体不可能完全与絮粒结合，有相当一部分没有完成把 絮粒带至水面的过程而直接跑出气浮系统。一般情况下，这样的气体大约占2 0 ， 也就是说，气固结合率只有8 0 ，因此，正常情况下s s 的实际去除率也在8 0 左右。 3 6 3 不同工况下的模拟 影响气浮分离的效果的主要因索有三个：进水流速，悬浮物密度，絮凝体颗 粒大小，在基本模型的基础上，设计了以下7 个工况进行计算，根据计算结果比 较各个因素对气浮效果的影响。 根据最近的文献1 0 1 ，絮凝颗粒在4 0pm 左右就能达到较好的出水效果。本 次实验取】0 um 、2 5 u m 、5 0 pm 、1 0 0 pm 根据前一章的论证，流速考察o 0 2 m ，o 0 l m ，o 0 0 5 m 。 表3 1 工况模拟方案表 方案流速( n & ) 密度( m g m 3 )粒径( m ) lo 0 13 0 05 0 0 e 0 5 0 0 12 0 0 5 o o e 一0 5 2 o 。0 1 l 5 o o e 0 5 3o 0 22 0 05 0 0 e 0 5 o 0 12 0 05 o o e 0 5 4 o ，0 0 52 0 05 0 0 e - 0 5 5o 0 12 0 01 o o e 0 5 5 5o 0 12 0 02 5 0 e 0 5 o ，o l2 0 0 5 0 0 e 0 5 6o 0 12 0 0 1 o o e j 0 4 即基本模型 3 1 密度的影响 当周相密度为3 0 0 ，2 0 0 ，1 0 0 蚴n 3 的计算结果如下，以5 0 0 0 s 时的计算结 果进行比较。 浓度分布： 成- 3 0 0 k 鲈n 3 乒l - 2 0 0 k g ，m 3 成= l o o k g ，m 3 图3 1 固相密度不同时的悬浮物浓度分布图 可以明显地看到固相密度的不同，等值线的不同。v f = o o 0 0 5 的曲线随固相密度 的减小而上升。 出口浓度列表： 表3 2 不同固相浓度下出口浓度的比较 固相密度( k g m 3 ) 3 0 0 2 0 01 0 0 浮渣浓度( m 朗) 7 8 5 9 8 3 7 69 1 3 1 出水浓度( m g 1 ) 8 4 1 02 计算结果表明，固相浓度对出水浓度的影响明显，而固相浓度决定于气固比， 气固比越大，固相密度越小。因此足够的通气量是气浮成功的保证，根据公式可 以得出气固比和出水浓度的关系曲线，从而更形象的表明这一现象。 流场图的比较： 出水浓度 图3 2 气固比与出水浓度关系曲线 3 9 密度= 3 0 0k g ，m 3 密度= 2 0 0k g m 3 密度= 1 0 0k g m 3 图3 - 3 不同固相密度下的流场图 可见，不同的固相密度对流场的形态是有一定影响的。密度为3 0 0 时的流场 更加平滑，但是与密度为1 0 0 时的流场相比，停留时间明显较短，这说明絮粒密 度在直接影响上浮速度的同时，也在改变着流场的形态，从模拟的结果看来，大 密度颗粒形成的流场流线较为平滑，对紊动强度的控制有贡献，但是缩短了颗粒 的停留时间；而小密度的颗粒在进入流场初期就完成了上浮，但是对进水口附近 的流场产生了不好的影响，造成了环流，而且浪费了大部分水池的容积。由于絮 体密度的降低需要增大进气量，从而增加成本，因此设计的时候要综合考虑。 3 2 停留时间的影响 同样的条件下，进水流速的大小决定了流量曲大小，也即停留时间的大小， 通过不同流速下的数值模拟，可以研究气浮池处理水的量和质的关系。 取进水流速0 0 0 5 m s ，o 0 l i n s ，o 0 2 n 以分别进行计算。 结果如下： 流场图： 流速= o 0 0 5 m s 流速：o 0 1 以 流速卸0 2 m s 图3 4 不同进口流速下的流场图 三种工况下的平均水力停留时间分别为1 0 4 h ，o 5 2 h ，0 2 6 h 出水浓度列表： 4 l 表3 3 不同进口流速下出水浓度的比较 流速( i s ) 0 0 0 50 0 10 0 2 停留时间m ) 1 0 40 5 20 2 6 浮渣浓度( m 1 ) 8 9 2 7 8 3 7 64 8 8 8 出水浓度( m 酊) o 0 11 0 4 8 3 可以看出，流速的变化对流场的变化和出水浓度的变化的影响是很明显的。流速 越小，平均水力停留时间越小，固液分离也就越充分，气浮效果也就越好。 值得注意的是o 0 2 州s 的情况，虽然由于停留时间太短，固液分离不能够充 分进行，但是水流流线却更加平稳，比较三种情况的紊动强度场可以发现， o 0 0 5 州s 时，进水口处由于水平流动慢，上浮速度相对较快，形成了较强的紊流， 最高处达到了3 4 而整个流场平均只有0 4 左右。而o 0 2 n l s 时整个流场的 紊动强度较平均，最高点在水池下部，对气浮效果没有太大影响，这说明保证进 水口有一定的流速是必要的，在水池处理能力有限的情况下，可以通过改变进水 口的高度和水池的形状来达到这个目的。 紊动强度图： 流速= 0 0 0 5 i 州s 流速= 0 0 1 州s 4 2 曩溉黝蘩霉。|：溉麓黎缓缓缀凌慈缮誓 流速= o 0 2 n 1 s 图3 5 不同进口流速下的紊动强度分布图 3 3 颗粒粒径的影响 决定絮粒粒径的因素有原水水质、絮凝剂的投加量以及微气泡的大小。气浮 形成的絮粒大小不是恒定的，而是按一定比例分布。 长期以来人们一