亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        數(shù)值模擬在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        2021-07-27 06:38:58王桂芳楊樹(shù)成
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年6期
        關(guān)鍵詞:模擬實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)反應(yīng)器

        張 瑜, 蘆 星, 彭 勤, 王桂芳, 楊樹(shù)成

        (西安交通大學(xué)a.能源與動(dòng)力工程專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心;b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安710049)

        0 引 言

        環(huán)境工程是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科,水污染控制工程作為環(huán)境工程專業(yè)核心課程之一,內(nèi)容涉及物理、化學(xué)和生物處理等多種廢水處理技術(shù)和工藝,是多門自然科學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用[1-3]。水污染控制工程實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合的重要過(guò)程[4],有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)廢水處理技術(shù)基本理論的鞏固,提高學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用能力,對(duì)拓展學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)面及創(chuàng)新精神具有非常重要的作用[5]。

        傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程比較注重概念、原理等知識(shí)的傳授,而以工程思維訓(xùn)練為主的解決復(fù)雜問(wèn)題、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在一定程度受到局限[6],其原因是課程部分內(nèi)容比較抽象,而大多數(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的因素和水平已經(jīng)給定,這導(dǎo)致水污染控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與快速發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用逐步脫節(jié),廢水處理的前沿技術(shù)更無(wú)法充分體現(xiàn)[7]。學(xué)生基本停留于水質(zhì)參數(shù)測(cè)定和處理裝置系統(tǒng)的初步認(rèn)識(shí),無(wú)法深入探索工藝流程、影響因素及反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征等。

        但在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,創(chuàng)新和探索性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展往往需要面對(duì)很多困難。以廢水好氧生物處理綜合實(shí)驗(yàn)為例,其正常運(yùn)行涉及機(jī)械設(shè)備控制、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整等方面,也往往受接種污泥活性和沉降性能的限制。而且污泥馴化需要數(shù)10天,若改變進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)行條件或反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等參數(shù),得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也需幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間,期間水質(zhì)分析任務(wù)也是非常繁重耗時(shí)[8]。此外,生物反應(yīng)器運(yùn)行效果的好壞與不同結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)部流場(chǎng)特性密切相關(guān),合適的流態(tài)有利于污染物和微生物的均勻分布和良好接觸,改善微生物的生長(zhǎng)環(huán)境和條件,提高污水處理效率。因受設(shè)備、人力和測(cè)定原理本身的限制,反應(yīng)器流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定很難涵蓋所有流場(chǎng)條件的測(cè)定,實(shí)施過(guò)程也有一定局限性[9]。因此,在教學(xué)中生物處理綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)展困難重重,也正因缺失實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)認(rèn)知和訓(xùn)練,學(xué)生對(duì)生物處理工藝的認(rèn)知始終處于抽象狀態(tài)。

        在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新型人才為目標(biāo)[10],高校的研究者們從未停止過(guò)對(duì)其探索,現(xiàn)代化教育技術(shù)因交互性、及時(shí)性及直觀性等多種優(yōu)點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革上引起人們更多的關(guān)注[11],許美蘭等[7]、段鳳魁等[12]探索了虛擬仿真技術(shù)在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用,打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性,彌補(bǔ)部分實(shí)驗(yàn)難以操作的不足。楊爽等[13]、于欣欣等[14]通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,引入工程仿真在線監(jiān)測(cè)設(shè)備,模擬科研情景的模式,讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用,提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。王永強(qiáng)[15]利用ANSYS/FLOTRAN技術(shù)輔助教學(xué),使學(xué)生更好地了解水污染控制工程的反應(yīng)機(jī)理和工藝過(guò)程,同時(shí)也補(bǔ)充在實(shí)際操作中難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

        為此,課題組嘗試?yán)貌煌虒W(xué)手段的互補(bǔ)促進(jìn)作用,創(chuàng)設(shè)科研情境,借助數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),突破現(xiàn)有教學(xué)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)在時(shí)空上的制約。并以厭氧內(nèi)循環(huán)(Internal Circulation,IC)反應(yīng)器的流場(chǎng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)為例探索數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用,模擬流場(chǎng)特性,優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù),使學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題的探索中掌握厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn),極大促進(jìn)了學(xué)生對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的認(rèn)識(shí),以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

        1 數(shù)值模擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

        根據(jù)教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》,新時(shí)代我國(guó)教育改革發(fā)展應(yīng)“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念”[7]。在此背景下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化是發(fā)展的必然趨勢(shì)和迫切需要。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要借助計(jì)算機(jī)技術(shù),建立一個(gè)能夠反映問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,尋求高效率、高質(zhì)量、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方式,在此基礎(chǔ)上完成對(duì)程序的編制,并完成計(jì)算驗(yàn)證[16]。因此,數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息化的重要手段和載體[17]。對(duì)于一些概念理解抽象、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)、存在安全隱患的綜合性實(shí)驗(yàn),可以借助數(shù)值模擬技術(shù),更形象直觀地理解,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和鞏固,提高實(shí)驗(yàn)效率。在數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

        (1)確定合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合本科大創(chuàng)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)及開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,讓一些學(xué)有余力的學(xué)生參與復(fù)雜問(wèn)題的模擬研究,或承擔(dān)簡(jiǎn)單的科研模擬任務(wù),既鞏固課堂所學(xué)理論內(nèi)容,又可以引導(dǎo)學(xué)生拓展知識(shí)面,有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新的科研能力[18]。

        (2)學(xué)習(xí)模擬實(shí)驗(yàn)方法??紤]到本科生的實(shí)際能力情況,在學(xué)生獨(dú)立模擬實(shí)驗(yàn)之前,老師先做簡(jiǎn)單介紹,對(duì)模擬對(duì)象建立幾何模型,通過(guò)改變相關(guān)變量,得到數(shù)值模擬求解過(guò)程,講解所采用的理論,詳細(xì)講解結(jié)果分析方法,以及邊界條件的變化設(shè)置。先安排具體、簡(jiǎn)單的模擬任務(wù),讓學(xué)生自主選擇時(shí)間和地點(diǎn)完成,采用開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力[19]。

        (3)開(kāi)展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。掌握實(shí)驗(yàn)方法后,學(xué)生可獨(dú)立模擬具體實(shí)驗(yàn)參數(shù),通過(guò)比對(duì)模擬結(jié)果,確定最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在整個(gè)模擬過(guò)程中,學(xué)生是實(shí)驗(yàn)主體,老師在其中對(duì)有異議的給出合理的建議,并進(jìn)行啟發(fā)性的引導(dǎo),讓學(xué)生主動(dòng)解決問(wèn)題[20],完成模擬實(shí)驗(yàn)。

        (4)數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)參數(shù),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作。并通過(guò)比對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),加深對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解,驗(yàn)證模擬過(guò)程各參數(shù)準(zhǔn)確性,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        2 教學(xué)案例分析

        厭氧反應(yīng)器研究與開(kāi)發(fā)一直是厭氧技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題,反應(yīng)器內(nèi)部流體力學(xué)特性對(duì)生化反應(yīng)過(guò)程也有著極大的影響[12,21],以厭氧IC反應(yīng)器的流場(chǎng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)為例,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dgnamics,CFD)軟件模擬實(shí)驗(yàn)室規(guī)模IC反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng),并且對(duì)其內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行初步探索,使學(xué)生掌握IC反應(yīng)器流場(chǎng)特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生物反應(yīng)器流態(tài)研究的基本方法。

        2.1 實(shí)驗(yàn)方法

        2.1.1 模型搭建

        根據(jù)IC反應(yīng)器運(yùn)行條件下的特點(diǎn),假設(shè)氣液流動(dòng)過(guò)程為不可壓縮,相間沒(méi)有質(zhì)量傳遞,且不考慮溫度和傳熱的影響。參考相關(guān)研究[22-23],模擬過(guò)程將氣液固3相系統(tǒng)簡(jiǎn)化為氣液兩相系統(tǒng),選用歐拉氣液兩相流模型,利用空氣模擬沼氣,清水模擬廢水。利用Gambit軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)氣體和液體進(jìn)口、氣液界面以及氣體出口進(jìn)行網(wǎng)格加密,確保滿足精度要求。

        邊界條件:IC反應(yīng)器進(jìn)水口以及產(chǎn)氣帶設(shè)為速度進(jìn)口條件,第2反應(yīng)室上方溢流堰處設(shè)置為自由液面,集水槽上方設(shè)置氣體壓力出口,所有其他固體表面,包括第1、2級(jí)三相分離器以及兩個(gè)反應(yīng)室各自的導(dǎo)流筒均設(shè)置成無(wú)滑移壁面邊界條件。初始條件:液相初始速度為0,氣相體積分?jǐn)?shù)為1,其他為默認(rèn)值。氣液交界以上為氣體區(qū)域,以下為液體區(qū)域。

        數(shù)值計(jì)算:選擇基于壓力的二維隱式求解器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,壓力耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算[24]。

        2.1.2 流場(chǎng)模擬

        IC反應(yīng)器主體高400 mm,直徑150 mm;三相分離器集氣罩高度為70 mm,進(jìn)口處直徑100 mm,上端安裝提升管直徑12 mm,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界類型設(shè)置,將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent中,進(jìn)行相同步長(zhǎng)的瞬態(tài)運(yùn)算,至流態(tài)達(dá)到穩(wěn)定,得到的通氣時(shí)間相等時(shí)停止計(jì)算,取其結(jié)果進(jìn)行分析。

        2.2 IC反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果

        以進(jìn)氣量為0.08 m3/h的反應(yīng)器模擬結(jié)果為例,如圖1(a)所示,第1反應(yīng)室中氣體從底部均勻進(jìn)入反應(yīng)器,帶動(dòng)液體向上運(yùn)動(dòng),徑向范圍內(nèi)從反應(yīng)器壁面到中心軸處,液速增大;液體主要從中心軸大流速區(qū)域被氣體攜帶,經(jīng)過(guò)第1級(jí)三相分離器,進(jìn)入提升管[見(jiàn)圖1(b)];反應(yīng)器中心大流速附近形成渦流,液體局部回流返混,不進(jìn)入提升管。氣液進(jìn)入分離器,氣體由出口流出,液體內(nèi)部循環(huán)。通過(guò)流場(chǎng)模擬,學(xué)生很直觀地理解反應(yīng)器內(nèi)氣液的流動(dòng)狀態(tài),加深了對(duì)IC反應(yīng)器運(yùn)行的認(rèn)識(shí)。

        圖1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模IC反應(yīng)器速度矢量分布

        IC反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后各指標(biāo)如圖2所示,分別為湍流強(qiáng)度分布[見(jiàn)圖2(a)]、液相速度分布[見(jiàn)圖2(b)]和氣含率分布[見(jiàn)圖2(c)]。可見(jiàn),在三相分離器直徑范圍內(nèi),湍流強(qiáng)度明顯高于反應(yīng)器其他區(qū)域。結(jié)合液相速度分布圖可知,速度大的區(qū)域相應(yīng)湍流強(qiáng)度大,這正是氣體作用的體現(xiàn)。圖2(c)中三相分離器集氣罩及提升管內(nèi)氣含率明顯高于反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)域,沿中心軸路徑阻力最小,氣體多數(shù)由此向上帶動(dòng)液體流動(dòng);第1反應(yīng)室內(nèi)氣含率高于第2反應(yīng)室,可見(jiàn)三相分離器以及氣封可以很好地起到收集氣體的作用。

        圖2 IC反應(yīng)器流場(chǎng)各指標(biāo)分布云圖

        2.3 實(shí)驗(yàn)可行性驗(yàn)證

        采用不同進(jìn)氣量,實(shí)驗(yàn)室操作IC反應(yīng)器,測(cè)定反應(yīng)器的提升液量,與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證CFD模擬可行性。

        由圖3所示可見(jiàn),在氣量范圍為0.05~0.08 m3/h范圍內(nèi)模擬結(jié)果吻合度較高,其相對(duì)誤差均低于15%,而在0.09~0.1 m3/h范圍內(nèi)相對(duì)誤差明顯增大,但仍然低于30%。其原因是曝氣管泵入的氣體速度增大,在反應(yīng)器有限的高度內(nèi)不能達(dá)到反應(yīng)器內(nèi)均勻分布,導(dǎo)致氣體停留時(shí)間減小,液體提升量減小;而CFD模擬中,設(shè)置氣體進(jìn)口面積小,布?xì)饩鶆?,進(jìn)氣量變化范圍不大的情況下對(duì)提升量的增大趨勢(shì)影響不大,導(dǎo)致在較高的產(chǎn)氣量下,模擬的提升量明顯高于實(shí)驗(yàn)提升量。

        圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

        3 結(jié) 語(yǔ)

        在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)采用數(shù)值模擬的技術(shù),教學(xué)效果主要在兩個(gè)方面有明顯提升。

        (1)學(xué)生理解掌握基本理論和分析問(wèn)題的能力有顯著提高。借助CFD技術(shù)后,學(xué)生對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)有更直觀、更本質(zhì)的認(rèn)識(shí),通過(guò)觀察和分析云圖分布,對(duì)IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有更深入的理解,對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的現(xiàn)象更容易解釋,并能夠自主預(yù)判反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。開(kāi)展數(shù)值模擬可以為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供指導(dǎo),進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)操作流程,不僅提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力,同時(shí)培養(yǎng)了他們的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

        (2)彌補(bǔ)水污染控制實(shí)驗(yàn)體系的欠缺。利用CFD技術(shù)可以使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)廢水生物處理工藝實(shí)驗(yàn)順利有效地完成,通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,能夠立刻得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋,激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,提高了學(xué)生自主性及對(duì)知識(shí)運(yùn)用和轉(zhuǎn)化能力。同時(shí)CFD技術(shù)避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因多種因素干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性影響,使學(xué)生將理論、實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用更好地聯(lián)系起來(lái),豐富了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,拓展了實(shí)驗(yàn)空間,使得水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系更加完善。

        數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為實(shí)踐過(guò)程的一個(gè)教學(xué)手段,可以很好地完成教學(xué)內(nèi)容的探索與實(shí)踐,提高學(xué)生的廢水處理實(shí)踐和創(chuàng)新能力,對(duì)學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)及參加科研都具有積極的作用[18]。目前已逐步在其他實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用及推廣,今后水污染控制工程實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)在課程體系、教學(xué)模塊及教學(xué)技術(shù)手段等方面進(jìn)一步發(fā)展和完善,以適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求。

        猜你喜歡
        模擬實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)反應(yīng)器
        聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器升密操作與控制
        云南化工(2021年11期)2022-01-12 06:06:36
        大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維流場(chǎng)計(jì)算
        斷塊油藏注采耦合物理模擬實(shí)驗(yàn)
        轉(zhuǎn)杯紡排雜區(qū)流場(chǎng)與排雜性能
        EGSB反應(yīng)器處理阿維菌素廢水
        基于HYCOM的斯里蘭卡南部海域溫、鹽、流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析
        輸氣管道砂沖蝕的模擬實(shí)驗(yàn)
        上旋流厭氧反應(yīng)器在造紙廢水處理中的應(yīng)用
        費(fèi)托合成微反應(yīng)器研究進(jìn)展
        基于瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算的滑動(dòng)軸承靜平衡位置求解
        激情偷乱人成视频在线观看| 精品久久久久久久中文字幕| 国产亚洲av人片在线观看| 无码av免费精品一区二区三区 | www.日本一区| 欧美国产伦久久久久久久| 国产在线白浆一区二区三区在线| 亚洲一区二区丝袜美腿| 日本妇女高清一区二区三区| 青青草手机视频免费在线播放| 国产一区二区黑丝美胸| 国产白浆在线免费观看| 日本伦理精品一区二区三区| 成人影院在线观看视频免费| 在线播放国产自拍av| 天天做天天爱夜夜爽女人爽| 亚洲欧洲国产码专区在线观看| 亚洲中文字幕无码一久久区| 特级无码毛片免费视频尤物| 人人妻人人澡人人爽欧美精品| 台湾佬综合网| 亚洲成人观看| 亚洲色四在线视频观看| 精品人妻一区二区三区蜜桃| 熟女高潮av一区二区| 丰满少妇被猛进去高潮| 人人妻人人澡人人爽欧美一区双| 麻豆果冻传媒在线观看| 亚洲羞羞视频| 91福利精品老师国产自产在线| 99在线无码精品秘 入口九色| 97久久久一区二区少妇| av天堂最新在线播放| 亚洲精品白浆高清久久久久久| 又爽又黄又无遮挡的视频| 色爱区综合五月激情| 极品粉嫩嫩模大尺度无码| 亚洲影院丰满少妇中文字幕无码| 国产日韩久久久精品影院首页| 亚洲V无码一区二区三区四区观看| 一区二区三区熟妇人妻18|