基于CFD的臭氧传质模型的研究

论文摘要

由于臭氧对几乎所有的细菌、病毒、霉菌、真菌具有非常强的灭活效果,且能灭活贾第虫和隐孢子虫,使得臭氧在饮用水消毒中的地位越来越高。但是当水中含有溴离子时,会生成溴酸盐,在低剂量的情况下便有致癌的作用。因此臭氧消毒面临着如何优化消毒效率和消毒副产物的问题。目前,臭氧消毒效果主要通过CT10来评价,而CT10的评价方法过于保守,致使过量的投加臭氧,增加消毒副产物。要想在保证消毒效率得到同时,控制副产物的生成,则需尽可能的使臭氧接触池的臭氧浓度分布均匀。臭氧接触池多为鼓泡式,臭氧传质是臭氧在水中分布的关键因素,决定着臭氧在接触池中的浓度分布。针对以上问题,本课题将臭氧传质和衰减动力学、消毒动力学、溴酸盐生成动力学进行耦合,利用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)进行鼓泡柱式臭氧接触池进行全流场模拟,并在溴酸盐的生成机理研究基础上,对臭氧接触池进行优化,解决臭氧化工艺目前面临的安全性问题。本课题得到了国家自然科学基金的支持。本论文将针对臭氧传质和衰减建立臭氧传质的CFD模型,为课题的下一步进行建立基础。本文利用气液传质理论原理,测定了在目标污染物下,臭氧在鼓泡柱中的传质系数和衰减系数,测定的臭氧容积传质系数为0.13 kg /( m3 ? h),衰减系数为0.51 kg / ( m3 ? h)。并以此动力学参数,建立臭氧传质的CFD(计算流体力学)多相流模型。模型结果与实验所观察到的现象是一致的。模型结果表明压力沿轴向依次降低,压力在弯管的底部弯管处损失值为2000pa;鼓泡柱的含气率在鼓泡柱的中心轴上较高,沿横向降低,两种气体同时进入时,即使比例不同,但是含气率分布的总体趋势是一致的;速度矢量分布图表明,由于气流的卷吸作用,在鼓泡柱的近壁面会有旋流存在。对模型进行的无曝气和有曝气时的停留时间分布函数实验验证表明,无曝气时数值模型得出的T10、T50和T90值误差较小,分别为7.1%、6.4%、15.4%。有曝气时数值模型得出的T10、T50和T90值误差较无曝气时大,分别为12%、24.5%、20.6%。分析其原因有两方面,一方面,如同无曝气时数值模型忽略了实际模型中取样口对流态的的影响一样,曝气时数值模型也存在这个问题;另一方面,计算流体力学的基本理论连续相紊流模型和颗粒相输送模型本身还不够完善,人们对紊流的了解还不够深入,描述方程还无法精确解释紊流的本质特征,而且紊流参数也是采用经验公式计算求得的,所以数值模型也存在一定的缺陷,这也给模拟结果带来了一定的误差。本论文所建立的CFD多相流模型的整体误差是与同领域的其他研究者建立的CFD数值模型T10、T50和T90值误差范围是一致的。臭氧传质CFD模型的浓度与实验所得浓度相差较大。本论文建立了臭氧传质的CFD模型,为课题的下一步进行打下了基础。但是模型与实验还存在着一定的误差,建议课题下一步对影响臭氧传质的因素进行分析,对模型进行修正。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 臭氧在饮用水消毒中的研究现状
• 1.2.1 臭氧消毒理论
• 1.2.2 溴酸盐生成与控制
• 1.2.3 臭氧消毒接触池
• 1.3 CFD 在臭氧消毒模拟中的研究现状
• 1.3.1 CFD 的基本理论
• 1.3.2 CFD 的优势
• 1.3.3 CFD 在臭氧消毒建模中的应用
• 1.4 研究内容
• 第2章 鼓泡柱中气液流场模拟
• 2.1 气液两相流的主要特点
• 2.1.1 水和空气的密度相差悬殊
• 2.1.2 气液两相间的质量交换可以忽略
• 2.1.3 气液两相流可以采用局部静压平衡假定
• 2.1.4 气泡在水流中的运动特性
• 2.2 液相湍流模型
• 2.2.1 完全模拟（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟(（LES）
• 2.2.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 2.3 气液两相流模型
• 2.4 本课题所选用的模型
• 2.4.1 多相流模型
• 2.4.2 离散相模型（DPM, Discrete Phase Model）
• 2.4.3 模型的控制方程
• 2.4.4 控制方程组的离散和流场数值计算方法
• 2.4.5 收敛标准
• 2.5 本章小结
• 第3章 臭氧传质动力学参数的确定
• 3.1 气液传质与臭氧衰减理论
• 3.1.1 气液传质理论
• 3.1.2 臭氧衰减理论
• 3.1.3 臭氧反应动力学
• 3.2 实验仪器
• 3.3 水中臭氧的测定方法
• 3.4 实验方法
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 鼓泡柱中臭氧传质的CFD 建模
• 4.1 引言
• 4.2 CFD 建模的步骤
• 4.3 几何模型
• 4.4 网格的划分
• 4.5 边界条件
• 4.5.1 近壁面附近区域的处理
• 4.5.2 边界条件的处理
• 4.5.3 源项的处理
• 4.6 鼓泡柱内压力分布
• 4.7 鼓泡柱中含气率分布
• 4.8 鼓泡柱内速度场
• 4.9 鼓泡柱内湍流情况
• 4.10 本章小结
• 第5章 鼓泡柱中臭氧传质CFD 模型的验证
• 5.1 引言
• 5.2 停留时间分布函数
• 5.2.1 液龄分布
• 5.2.2 水力效率参数T10、T50 和T90
• 5.3 示踪实验
• 5.3.1 示踪剂的选择和投加
• 5.3.2 示踪剂标准曲线
• 5.3.3 无曝气时示踪实验
• 5.3.4 曝气时示踪实验
• 5.4 臭氧传质CFD 模型与实验的停留时间分布比较
• 5.4.1 无曝气时CFD 模型与实验的比较
• 5.4.2 曝气时CFD 模型与实验的比较
• 5.5 臭氧传质CFD 模型的浓度验证
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢