新型管道快速混合技术研究

论文摘要

水处理工程中,有不少工艺要求被处理水与所投加的化学药剂间剧烈而快速的充分混合,以提高处理药剂的利用率和水处理效果。如混凝过程中,要求原水与混凝剂或助凝剂之间有快速而充分的混合以使后续工艺能取得良好的处理效果;又如水消毒过程中,亦要求被处理水与消毒剂之间有剧烈的快速混合以促进消毒剂向水中传递或消毒剂向微生物体内的接触传质作用。混合效果的好坏直接影响到混凝和混合消毒的效果,因此如何提高混合效果一直都是设计者关注的焦点问题。在管道快速混合的研究中有实验和数值模拟两种方式,由于装置被完全封闭在管道内部,流体流动机理也十分复杂,而且实验的影响因素太多,工作量太大,这使得管道混合的三维流动与实验研究异常难做,而且实验也得不到三维流动的详细信息。近年来,随着计算机和计算流体力学(CFD)的发展,三维流动数值模拟已经得到了广泛应用,特别是在对模型进行优化设计时,三维数值模拟更为有利。为此,本文利用通用CFD软件FLUENT对管道快速混合模型进行优化设计,并利用实验验证数值模拟方法的有效性和准确性。采用计算流体力学软件FLUENT的前处理软件GAMBIT,按照管道快速混合装置的实际结构和参数,结合计算数学模型的可行性,建立三维几何模型,并进行了网格的划分。在FLUENT软件中对模型的流场进行了数值模拟,得到管道快速混合模型的物质分布图、速度分布图和速度矢量图。详细地分析了加药管径、混合长度、加药流速与主管道流速之比、主管道流速、结构尺寸(变流装置大小、变流装置与加药管口距离)对管道快速混合模型混合特性的影响。通过示踪实验,获得了管道中染料的流态,并与模拟流态进行了对比。然后通过氯的混合实验研究,获得了不同状态参数和结构参数下,不同取样截面上各点的余氯浓度值,并计算截面余氯浓度的相对标准偏差。同时,与三维数值模拟计算结果比较,验证了管道快速混合模型设计方法的合理性,验证所选模型及计算方法的有效性。实验可以是直接测量计算所体现的结果,也可以是计算所体现的趋势。一般来说直接测量CFD的计算结果是非常困难的,计算结果是个绝对值且精准的数据,但测量结果往往比较宏观。所以正常情况下,把注意力集中在趋势的比较。最后,经过对原模型的三维数值模拟和实验研究,找到其设计缺陷,并提出改进方案,同时对改进结构后的装置进行三维建模和数值模拟。结果表明,在输水流速0.5m/s、加药流速6m/s的情况下,改进装置后,管道出口截面药剂浓度的相对标准偏差减小了0.015;药剂流与变流装置撞击后基本沿垂直方向进入主流体,碰撞后最大径向速度从4m/s左右增加为5.5m/s左右,减小了动能的损耗;变流装置底面处的漩涡减小,更有利于药剂流对主流体的穿透。由此可见,利用三维数值模拟研究方法对管道快速混合模型进行研究,可以很好地支持改进设计,进一步说明改进设计方案的有效性,同时还可以发现改进设计后存在的问题。由于受各种条件所限,本文所做研究还不完善,但所得结论具有普遍意义,以期对今后同类产品的开发、设计具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 饮用水消毒技术
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 传统氯化消毒存在问题
• 1.3 快速混合技术研究进展
• 1.4 国内外CFD技术的研究现状
• 1.4.1 CFD技术发展概况
• 1.4.2 CFD技术在管道混合中的应用研究
• 1.5 研究内容和技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第2章 模拟和实验方法
• 2.1 装置设计
• 2.2 研究方法
• 2.3 评价指标
• 2.4 数据处理方法
• 2.5 数学模型的建立
• 2.5.1 流动类型
• 2.5.2 湍流模型
• 2.5.3 多相流模型选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 新型管道快速混合的数值模拟
• 3.1 物理模型与网格划分
• 3.1.1 三维模型
• 3.1.2 网格化分
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 模型结构参数确定
• 3.2.1 加药管径确定
• 3.2.2 模拟混合长度确定
• 3.3 数值计算结果与分析
• 3.3.1 Eulerian模型物质分布分析
• 3.3.2 Eulerian模型流态分布分析
• 3.3.3 Eulerian模型速度矢量分析
• 3.3.4 流速比对混合效果的影响
• 3.3.5 主管道流速对混合效果的影响
• 3.3.6 结构参数对管道快速混合效果的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 快速混合的实验研究
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 原水水质
• 4.1.2 实验流程图
• 4.1.3 取样点的设置
• 4.1.4 实验过程
• 4.1.5 检测指标及检测方法
• 4.2 示踪实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 输水流速对混合效果影响验证
• 4.3.2 流速比对混合效果影响验证
• 4.3.3 变流装置大小对混合效果影响验证
• 4.3.4 变流装置与加药管口距离对混合效果影响验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 装置优化
• 5.1 加药方式改进
• 5.2 变流装置的改进
• 5.3 改进后的计算模型
• 5.3.1 数学模型
• 5.3.2 三维几何模型
• 5.3.3 三维计算网格
• 5.3.4 边界条件
• 5.4 改进后模型与原型计算结果对比分析
• 5.4.1 加药方式单独改进
• 5.4.2 变流装置单独改进
• 5.4.3 同时改进后装置模拟
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢