曝氣池內(nèi)氣液兩相流CFD數(shù)值模擬.pdf

1、水，作為人類所需的不可替代的一種資源，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱之一。近百年來由于城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化的高速發(fā)展、人口爆炸性地增長，給全球資源、環(huán)境都帶來了巨大的壓力，使全球可利用的淡水資源日益減少，供需矛盾加劇。污水處理是解決這一矛盾的主要方法之一，其中活性污泥法是處理污水的最重要治理方法，如何提高活性污泥法的運(yùn)行效率、降低廢水處理成本，是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。
　　 活性污泥法是由曝氣池、沉淀池、污泥回流和

2、剩余污泥排除系統(tǒng)所構(gòu)成，曝氣池是采用活性污泥法進(jìn)行污水生物處理的主要構(gòu)筑物。因此曝氣池性能的好壞直接影響著廢水的處理效果。國內(nèi)外許多水處理專家對(duì)曝氣池生物反應(yīng)、凈化機(jī)理、運(yùn)行管理等的研究都是在實(shí)驗(yàn)室中通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行水質(zhì)比較而得到的經(jīng)驗(yàn)方法。由于工程實(shí)際裝置的復(fù)雜性以及有限的實(shí)驗(yàn)條件，有些問題在實(shí)驗(yàn)室里很難完成，但是應(yīng)用近代計(jì)算流體力學(xué)以及大型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模擬理論及方法可以實(shí)現(xiàn)工程放大可能出現(xiàn)的一些問題。曝氣池?cái)?shù)值模擬屬于氣液兩相流范

3、疇。氣液兩相流是常見的一種物質(zhì)流動(dòng)，廣泛用于工程和環(huán)境領(lǐng)域中，但是迄今為止，人們對(duì)兩相流的相互作用，兩相傳質(zhì)、傳熱機(jī)理不甚清楚，而在許多工程應(yīng)用中又迫切需要解決這些問題。
　　 鑒于此，本文利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)的軟件FLUENT6.2對(duì)中心進(jìn)氣式和偏心進(jìn)氣式曝氣池反應(yīng)器內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行了三維瞬態(tài)數(shù)值模擬。模擬的氣體速度分別為0.05m/s，0.20m/s和0.70m/s，模擬采取了雙流體模型，液相湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，兩相間

4、的動(dòng)量傳遞只考慮曳力作用，并對(duì)中心進(jìn)氣式曝氣池研究結(jié)果與以往的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果作對(duì)比。
　　 結(jié)果表明：采用雙流體模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可很好的模擬曝氣池內(nèi)的兩相流的流體力學(xué)特性；模擬獲得了中心進(jìn)氣式和偏心進(jìn)氣式曝氣池內(nèi)的液速、氣含率分布等。對(duì)于兩種反應(yīng)器，曝氣氣速越大，氣含率、液速和軸向液速越大，氣液之間混合越充分，曝氣效果越好；進(jìn)氣方式的不同，兩種反應(yīng)器內(nèi)的氣含率和流型存在較大的差異，說明曝氣氣速和進(jìn)氣方式的不同是曝氣池反應(yīng)器設(shè)

5、計(jì)和改進(jìn)的重要流體力學(xué)參數(shù)，對(duì)氣含率分布和流型有顯著影響。在兩種反應(yīng)器中，氣泡剛開始都是以直線垂直上升，過一段時(shí)間后，氣泡的運(yùn)動(dòng)開始偏離軸中心，氣泡群開始發(fā)生了擺動(dòng)。
　　 在中心進(jìn)氣式曝氣池中，氣體主要集中在反應(yīng)器的中心，隨著曝氣氣速的增加，氣體的分布范圍逐漸變寬(在較小的曝氣氣速(0.05m/s)下，氣體只分布在池中心，幾乎沒有向兩壁之間進(jìn)行擴(kuò)散），氣泡群的擺動(dòng)增大，導(dǎo)致氣體在較大范圍內(nèi)的分布，有利于氧傳遞，增強(qiáng)曝氣效果。液

6、速矢量圖所呈現(xiàn)的液體流場(chǎng)如下：池中心的液體向上流動(dòng)，兩側(cè)液體向下流動(dòng)，從而使池中心兩側(cè)存在液體循環(huán)。這與D.Pfleger(1999)和羅瑋實(shí)驗(yàn)觀察得到的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是一致的。
　　 在偏心（偏右側(cè)）進(jìn)氣式曝氣池中，氣體主要集中在反應(yīng)器的右側(cè)（氣泡流區(qū)域）。在氣泡流區(qū)域，隨著距池底的高度增加，氣含率越小，相反在氣泡流區(qū)域的右側(cè)范圍內(nèi)，隨著距池底高度的增加，氣含率反而是越大。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)增大氣速可使池內(nèi)的氣含率在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的分

7、布，渦結(jié)構(gòu)形成，從而使流場(chǎng)內(nèi)各相之間達(dá)到很好的混合效果。
　　 論文研究發(fā)現(xiàn)，中心進(jìn)氣式與偏心進(jìn)氣式曝氣池在氣含率和流型上有顯著的差別。在中心進(jìn)氣式曝氣池中，氣含率大部分分布在池的中心區(qū)域，兩側(cè)分布極少；在偏心進(jìn)氣式曝氣池中，氣含率大部分分布在反應(yīng)器右側(cè)，在整個(gè)池中氣含率的分布比中心式進(jìn)氣式較均勻，從溶解氧角度來說，偏心進(jìn)氣式優(yōu)于中心進(jìn)氣式曝氣池。但是同樣的曝氣效果，偏心進(jìn)氣式曝氣池需要更多的能量，從能量角度來說，中心進(jìn)氣式要優(yōu)