任慶凱，李成彬，劉江川，萬立國，邊德軍＊

（1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院；2.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.吉林省水工程安全及災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，長春130012；4.長春水務(wù)集團(tuán)城市排水有限責(zé)任公司；5.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長春130021）

0 引言

微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器是近年來開發(fā)的基于活性污泥法的一種新型污水生物處理反應(yīng)器。內(nèi)部流體的垂向循環(huán)流動(dòng)促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)形成了一定程度的好氧、缺氧、厭氧區(qū)域分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了多種功能菌群在同一反應(yīng)器內(nèi)全程反應(yīng)，具有良好的同步去除有機(jī)物和脫氮除磷的效果［1］。針對(duì)該反應(yīng)器的研究主要集中在處理效能、運(yùn)行控制、曝氣量—液位對(duì)內(nèi)部流速的影響、生物處理理論等方面［1－3］。本文通過CFD模擬和試驗(yàn)，研究了該反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)，旨在驗(yàn)證建立的該反應(yīng)器CFD模型，并從流體動(dòng)力學(xué)角度初步分析該反應(yīng)器垂向循環(huán)流動(dòng)特征，為該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供理論依據(jù)和一種新的研究方法。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件用于流體力學(xué)的各類問題的數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究。粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)用于瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式的流體力學(xué)測(cè)速，可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性，并具有較高的測(cè)量精度。目前，多采用PIV技術(shù)進(jìn)行CFD模擬計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證、模型的檢驗(yàn)與優(yōu)化。張冰、任南琪等［4］利用CFD模擬進(jìn)行了生物制氫反應(yīng)器的流場(chǎng)研究；肖浩飛、周美華［5］進(jìn)行了傳統(tǒng)曝氣池內(nèi)的氣液兩相流模擬；范蘢、施漢昌等［6］更開展了氧化溝、生物流化床、膜技術(shù)與厭氧反應(yīng)器等多種污水處理反應(yīng)器的CFD模擬與工程實(shí)踐研究；萬甜、程文等［7］利用粒子圖像測(cè)速研究曝氣池中氣液兩相流；萬立國、劉自放等［8－9］開展了利用普通高清數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行示蹤粒子影像測(cè)速的研究。目前，這兩項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于污水處理反應(yīng)器內(nèi)部流體流動(dòng)特性的研究。

1 研究內(nèi)容與方法

為便于流速實(shí)測(cè)試驗(yàn)，本文以空氣—水為研究對(duì)象開展以下研究：（1）對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行氣液兩相流的CFD二維模擬計(jì)算，液相介質(zhì)是水，氣相是穿孔曝氣管逸出的微小氣泡，獲得液相速度矢量圖；（2）采用高清數(shù)碼攝像機(jī)示蹤粒子影像測(cè)速法［9］實(shí)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流速，檢驗(yàn)建立的CFD模擬氣液兩相流模型；（3）通過流速分布規(guī)律研究，分析反應(yīng)器內(nèi)部垂向循環(huán)流動(dòng)特性。

2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)較為復(fù)雜，屬于多相湍流流動(dòng)?；旌夏Ｐ偷幕痉匠倘缦拢?/p>

式中：ρm為混合密度為第k相的體積分?jǐn)?shù)；ρk為第k相的密度；n為相數(shù)為質(zhì)量平均速度

動(dòng)量方程通過對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來獲得，可以表示為

相對(duì)速度被定義為第二相（p）的速度相對(duì)于主相（q）的速度

漂移速度和相對(duì)速度的關(guān)系可通過式（1）表示

第二相的體積分?jǐn)?shù)方程，從第二相p的連續(xù)方程，可以得到第二相p的體積分?jǐn)?shù)方程為

2.2 模型的建立及網(wǎng)格劃分

本研究的CFD模擬二維模型以反應(yīng)器處理效能研究及本研究流速實(shí)測(cè)試驗(yàn)使用的有機(jī)玻璃反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸為物理模型建立。容器長0.82m，高0.6m，頂部局部加高0.6m，與大氣相通；穿孔曝氣管直徑14mm，開孔直徑1.2mm，開孔數(shù)量41個(gè)，曝氣管中心距底邊及側(cè)邊各28mm；整個(gè)區(qū)域采用四邊形非均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共生成節(jié)點(diǎn)25 457個(gè)，網(wǎng)格單元25 010個(gè)。反應(yīng)器的幾何模型及計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

我一直信奉：“人在做，天在看”的宿命。既然已經(jīng)身處于一個(gè)物質(zhì)極其豐富的社會(huì)，我們就不要再以“窮怕了”為自己的“貪婪”找借口。清心寡欲無疑是每個(gè)社會(huì)人最好的“護(hù)身符”—只要你能毅然決然地和“貪得無厭”“貪婪成性”決絕—起碼可以在這個(gè)波詭云譎的世界里，“半夜不怕鬼敲門”地睡個(gè)安穩(wěn)覺……

圖1 反應(yīng)器的幾何模型（mm）及計(jì)算模型網(wǎng)格圖

2.3 邊界條件

模型中主要涉及到進(jìn)口邊界、出口邊界和固壁邊界3類邊界條件。

速度進(jìn)口（Velocity Inlet）：通過湍動(dòng)能κ和紊流耗散率ε進(jìn)行計(jì)算。湍流強(qiáng)度I為

式中ReD為按水力直徑D計(jì)算得到的雷諾數(shù)。

湍動(dòng)能κ為

式中ˉu為紊流的平均強(qiáng)度。

式中：Cμ為0.09；l＝0.07L為紊流長度尺度，對(duì)充分發(fā)展的紊流，取L＝D。

壓力出口（Pressure Outlet）：出口設(shè)為湍動(dòng)充分發(fā)展的自由壓力出口，出口壓力為外界大氣壓。固壁邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，在壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

2.4 工況條件

采用與反應(yīng)器處理效能研究相同的運(yùn)行工況條件，靜止液位h＝0.76m，曝氣量q＝0.15m3／h，空氣過孔流速2.51m／s。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，曝氣啟動(dòng)后反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為70s，本研究采用曝氣啟動(dòng)后t＝140s為CFD模擬與試驗(yàn)的對(duì)比瞬時(shí)時(shí)刻。

3 循環(huán)流速實(shí)測(cè)試驗(yàn)

實(shí)測(cè)試驗(yàn)以空氣—水為研究對(duì)象，使用與CFD模擬的物理模型結(jié)構(gòu)形式及尺寸相同的反應(yīng)器、曝氣裝置及相同的工況條件，采用高清數(shù)碼攝像機(jī)示蹤粒子影像法對(duì)反應(yīng)器內(nèi)全流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)。

4 結(jié)果及討論

4.1 CFD模擬與實(shí)測(cè)試驗(yàn)對(duì)比

CFD模擬與流速實(shí)測(cè)試驗(yàn)考察的瞬時(shí)時(shí)刻點(diǎn)均為曝氣開始后140s。CFD模擬的流場(chǎng)速度矢量圖、流速等值圖如圖2、圖3所示?？紤]到本反應(yīng)器頂部近壁面及曝氣氣泡上升區(qū)、反應(yīng)器局部抬高區(qū)氣體釋放及液相回流區(qū)，氣液交換劇烈，難以獲得準(zhǔn)確的流速實(shí)測(cè)結(jié)果，本文對(duì)比研究以反應(yīng)器左下角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（x＝0.0m，y＝0.0m），選取反應(yīng)器水平方向x＝0.20m至x＝0.60m范圍內(nèi)，豎直面上y＝0.42m、y＝0.36m、y＝0.30m、y＝0.24m、y＝0.18m的不同水平高度上流速進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖4所示，反應(yīng)器y＝0.42m、y＝0.24m、y＝0.18m處CFD模擬與實(shí)測(cè)流速試驗(yàn)結(jié)果總體誤差＜±20%，個(gè)別點(diǎn)流速誤差較大，y＝0.36m、y＝0.30m處總體流速誤差＜±10%，并且大部分點(diǎn)流速誤差＜±5%。通過對(duì)比檢驗(yàn)，驗(yàn)證了建立的CFD模擬模型是可靠、合理的，可應(yīng)用于微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器流動(dòng)特性的分析與研究。

圖2 流場(chǎng)的速度矢量圖

4.2 CFD模擬及試驗(yàn)的反應(yīng)器循環(huán)流動(dòng)特性分析

CFD模擬反應(yīng)區(qū)速度分布如圖2、圖3所示，在反應(yīng)器頂部渦流區(qū)及右側(cè)氣泡上升區(qū)流速最高，為v＝0.8m／s；周邊外圍高速流動(dòng)區(qū)域流速v＞0.4m／s；中間較低速流動(dòng)區(qū)域，流速0.2m／s＜v＜0.4m／s；中心區(qū)域流速＜0.2m／s，環(huán)流中心點(diǎn)流速趨近于0m／s，形成較為明顯的分區(qū)；反應(yīng)器底部水平流速均＞0.3m／s，垂向循環(huán)流動(dòng)促進(jìn)底部的水平流速提高，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)空間體積明顯減小，從而提高了該反應(yīng)器的容積利用率。其結(jié)果與邊德軍、萬立國等［2－3］人的實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)器內(nèi)流速分布具有相同的規(guī)律。

圖3 流場(chǎng)的速度等值線圖

圖4 反應(yīng)器液體速度與模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較圖

圖5 CFD模擬流速分布圖

反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的形成過程及穩(wěn)定流動(dòng)特征呈現(xiàn)了明顯的偏心進(jìn)氣式特征，曝氣產(chǎn)生的氣泡流在上升過程中，前端氣速較低，氣泡流頂部出現(xiàn)匯集，并具有橫向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。氣泡在邊壁和中心區(qū)液相的約束影響下，外圍形成較高流速的垂向循環(huán)流動(dòng)，在中心區(qū)形成較大的渦流結(jié)構(gòu)，擠壓氣泡流由直線上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜻叡趥?cè)傾斜并逐漸貼近邊壁。氣泡流上升至反應(yīng)器右側(cè)壁與頂板形成的轉(zhuǎn)角處，出現(xiàn)水流的沖擊與反射，并使水流轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)角處形成渦旋；氣泡流經(jīng)水平運(yùn)動(dòng)到達(dá)液面處，氣泡破碎，大部分逸出液面，另一部分變成更小的氣泡回流到液相中，可在一定程度上提高氧的利用率。反應(yīng)器內(nèi)流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，形成明顯氣體入口處紊流區(qū)、升流區(qū)、頂部水平運(yùn)動(dòng)減速區(qū)、氣體出口處的紊流區(qū)及出口處的液相回流區(qū)、降流區(qū)、底部水平運(yùn)動(dòng)加速區(qū)、中間低速環(huán)流區(qū)等流速分布規(guī)律不同的區(qū)域。

在實(shí)測(cè)觀察中，由于氣泡在液面逸出時(shí)的不連續(xù)性，使回流液的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了有規(guī)律的脈動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)各區(qū)域的流動(dòng)產(chǎn)生不同程度的脈動(dòng)影響，但整個(gè)流場(chǎng)和分區(qū)循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)依然保持。該脈動(dòng)沖擊將在一定程度上有利于反應(yīng)器各區(qū)域之間的物質(zhì)傳質(zhì)。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的垂向循環(huán)流動(dòng)，采用Euler法氣液雙流體模型、二維擬均相的K－ε雙方程模型和氣液兩相流體動(dòng)力學(xué)理論，考慮了氣液兩相流之間動(dòng)量傳遞的曳力、附加質(zhì)量力，建立了反應(yīng)器氣液流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型；采用CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，得到氣液兩相流的速度場(chǎng)，研究了反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)。結(jié)果顯示微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器流型比較規(guī)整；可在內(nèi)部形成穩(wěn)定的外圍流速高、中間流速低的界限比較明顯的橢圓形循環(huán)流動(dòng)分區(qū)；底部水平流速提高，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)空間體積明顯減小。

（2）通過實(shí)測(cè)對(duì)比分析，各水平位置流速的CFD模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于±20%，中間區(qū)域總體流速誤差＜±10%，并且大部分點(diǎn)流速誤差＜±5%，驗(yàn)證了建立的CFD氣液兩相流混合模型是可靠、合理的。

（3）建立的該反應(yīng)器CFD模型及數(shù)值模擬方法，為進(jìn)一步研究反應(yīng)器不同曝氣強(qiáng)度對(duì)循環(huán)流動(dòng)的影響、溶解氧分布與傳質(zhì)，反應(yīng)器的長高比、曝氣管的位置、加設(shè)導(dǎo)流板等結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一種新的研究手段。

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