潘 金 鋒

(合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230041)

好氧顆粒污泥的水力特性模擬

潘 金 鋒

(合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230041)

在不同雷諾數(shù)和多種顆粒基本粒徑的條件下，對(duì)單個(gè)的好氧顆粒污泥進(jìn)行水力特性的數(shù)值模擬，對(duì)比分析顆粒周?chē)约皟?nèi)部的流速場(chǎng)和剪切速率場(chǎng)分布。運(yùn)用CFX軟件得到了速度分布和剪切速率分布的云圖，模擬出了顆粒內(nèi)部的傳輸速度隨著雷諾數(shù)以及孔隙率的增大而增大，而剪切速率的大小只與雷諾數(shù)有關(guān)，與孔隙率大小無(wú)關(guān)。

好氧顆粒污泥，雷諾數(shù)，剪切速率

好氧顆粒污泥的水動(dòng)力學(xué)行為對(duì)顆粒氧氣及其基質(zhì)的傳質(zhì)有著深遠(yuǎn)的影響。但由于其多孔的特性及反應(yīng)器復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)行為，關(guān)于好氧顆粒污泥的水動(dòng)力學(xué)行為的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，且大部分的研究都停留在宏觀層面即反應(yīng)器，對(duì)于其微觀層面還有待深入。然而，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，使得直接利用流體的控制方程進(jìn)行數(shù)值研究成為可能。本章利用CFX14.0軟件模擬并分析了單個(gè)顆粒在不同雷諾數(shù)(Re)，以及滲透系數(shù)下周?chē)约皟?nèi)部流體的速度場(chǎng)分布、顆粒剪切速率分布情況，為更好地控制反應(yīng)器的操作條件以及進(jìn)行好氧顆粒污泥的規(guī)模化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 模型假設(shè)

某一直徑d的好氧顆粒污泥以一恒定速度u∞穿過(guò)足夠大的靜止牛頓流體，在CFD模擬中假設(shè)好氧顆粒污泥固定在一足夠大的圓柱形水流中，水流以恒定u流過(guò)顆粒。好氧顆粒污泥的直徑取為3 mm，模型模擬的區(qū)域是一個(gè)直徑為22 mm，長(zhǎng)度為22 mm的圓柱形區(qū)域。根據(jù)以上假設(shè)，得到模型見(jiàn)圖1，箭頭方向表示水流方向。

1.2 控制方程[1，2]

顆粒周?chē)牧鲌?chǎng)的控制方程如下：

(1)

此外，顆粒內(nèi)部流體的控制方程遵循Darcy-Brinkman方程：

(2)

(3)

γ=(1-ε)1/3

(4)

其中，dp為組成微生物顆粒基本粒子的粒徑。本文取dp為1 μm，20 μm[3]。顆?？紫堵实挠?jì)算公式為[4]：

(5)

其中，ε為顆粒的孔隙率；f為顆粒濕重與干重比例；ρg為顆粒密度，本研究取1 057 kg/m3[5]；d為顆粒粒徑；D為分形維數(shù)，本研究取2.65[4]；B為常數(shù)，本研究取0.01[4]。

根據(jù)分形理論，顆粒干重和顆粒直徑的關(guān)系可以描述為：

Wd=BdD

(6)

Li和Yuan[6]通過(guò)使用新鮮的E.coli細(xì)胞估計(jì)顆粒干重與濕重的比值(f)。經(jīng)過(guò)10次重復(fù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)f值在2.84～4.26之間變化，并最終取平均值3.45作為顆粒的干重與濕重的比值。本研究采用f=3.45。

顆粒的剪切速率根據(jù)應(yīng)變張量的向量2范數(shù)定義如下：

(7)

其中，S為剪切速率。

1.3 邊界條件

(8)

其中，rg為顆粒的半徑。從式中可以看出，無(wú)窮遠(yuǎn)處的流場(chǎng)并不受顆粒的影響，此外，球體表面的流速梯度是連續(xù)的。簡(jiǎn)單而言，顆粒內(nèi)外的流體粘度是一樣的。

2 結(jié)果與討論

本章利用軟件FLUENT14.0對(duì)上述的控制方程以及相關(guān)邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，此外，本研究選用了兩種不同數(shù)量級(jí)的雷諾數(shù)進(jìn)行模擬分別是10，100，模擬結(jié)果如圖2，圖3所示。

2.1 速度場(chǎng)分析

如圖2所示，顯示了在雷諾數(shù)(Re)分別為10，100以及微生物顆?；玖Ｗ恿?dp)為1 μm，20 μm條件下，單個(gè)顆粒周?chē)俣葓?chǎng)的分布云圖。圖中不同的速度大小用不同的顏色表示區(qū)分，顆粒周?chē)忻黠@的速度梯度。因?yàn)轭w粒具有相當(dāng)大的空隙，考慮其滲透性，所以顆粒內(nèi)部也會(huì)有流體流入和流出。從圖中可以看出，Re大小的不同主要影響的是顆粒周?chē)h(huán)境的速度場(chǎng)的變化，而dp大小的不同主要影響了顆粒內(nèi)部速度場(chǎng)的變化。對(duì)比Re的變化，從圖2a),圖2c)或圖2b),圖2d)兩幅圖中可以看出，當(dāng)dp相同時(shí)，顆粒外部的速度場(chǎng)隨著Re的增大而增大，并且顆粒后部尾跡隨著Re的增大影響范圍變小，速度層之間變密，速度梯度變大。對(duì)比dp的變化，從圖2a),圖2b)或圖2c),圖2d)兩幅圖中可以看出，當(dāng)Re相同時(shí)，圖中速度最小點(diǎn)在顆粒內(nèi)部，對(duì)比速度標(biāo)簽可以發(fā)現(xiàn)顆粒內(nèi)部的速度場(chǎng)隨著Re的增大而增大。另外，在圖2b)中可以看出在Re較小時(shí)通過(guò)增大dp可以使得顆粒內(nèi)部的速度達(dá)到圖2c)中的速度量級(jí)，由此可以判斷dp對(duì)顆?？紫兑约皾B透性的大小有著重要影響。這說(shuō)明顆粒內(nèi)部流體的流速與顆粒的滲透性有很大的關(guān)系，滲透性的增加在一定程度上也有利于好氧顆粒污泥內(nèi)部對(duì)流的增強(qiáng)，從而加速好氧顆粒污泥的氧氣以及基質(zhì)的傳質(zhì)效率。

2.2 剪切速率分析

水力剪切作用對(duì)顆粒污泥的形成，穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)都有著密切關(guān)系，圖3顯示了在雷諾數(shù)(Re)分別為10，100以及微生物顆?；玖Ｗ恿?dp)為1 μm，20 μm條件下，單個(gè)顆粒周?chē)羟兴俾蕡?chǎng)的分布云圖。從圖中看出，顆粒的剪切速率主要分布在迎水面和側(cè)面，背水面的剪切速率很小。對(duì)比圖3a),圖3c)可知，當(dāng)dp為1 μm，Re從10增加到100時(shí)，顆粒受到的最大剪切速率增加了一個(gè)量級(jí)，而當(dāng)Re保持不變，dp增加時(shí)，顆粒受到的最大剪切速率基本保持不變，這說(shuō)明剪切速率的大小主要受到流體流速的影響，而顆粒滲透性對(duì)其的影響微乎其微，甚至可以忽略。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)利用CFX，采用數(shù)值模擬的辦法研究了單個(gè)顆粒污泥在不同雷諾數(shù)(Re)以及微生物顆?；玖Ｗ恿?dp)下，周?chē)约皟?nèi)部流體的速度場(chǎng)分布、顆粒剪切速率分布情況。通過(guò)模擬結(jié)果可知，顆粒周?chē)黧w流速的增加有利于增強(qiáng)顆粒內(nèi)部對(duì)流，從而促進(jìn)好氧顆粒污泥內(nèi)部與外界物質(zhì)的傳輸；此外，通過(guò)對(duì)比不同情況下剪切速率的分布，可以發(fā)現(xiàn)顆粒周?chē)黧w流速的增加與顆粒受到剪切速率的大小有著密切聯(lián)系，而剪切速率對(duì)顆粒本身滲透性敏感程度不高。

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Simulation on hydraulic characteristics of aerobic granular sludge

Pan Jinfeng

(HefeiMunicipalDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230041,China)

Under the condition of different reynolds number and basic particle size, the paper carries out hydraulic characteristic numerical simulation of single granular sludge, and comparatively analyzes particles surrounding and internal velocity field and shearing rate distribution, obtains speed distribution and shearing rate distribution nephogram by applying CFX software, and finds out that: the internal particle transmission speed increases with reynolds number and porosity; while shearing rate just depends on reynolds number rather than porosity.

aerobic granular sludge， reynolds number， shearing rate

2015-04-08

潘金鋒(1976- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)17-0096-02

X703.1

A