平流二次沉淀池的二维固液两相流数值模拟研究

论文摘要

二次沉淀池是污水处理工艺中非常重要的构筑物之一,同时也是非常敏感的构筑物。为保证出水水质和提高污水处理工艺效率,本文以城市污水处理厂中的平流式二次沉淀池为研究对象,针对目前关于二沉池的数值模拟研究大多基于忽略水流密度差异影响的假定,以及国内外有关考虑密度差异影响的数学模型主要为单相流模型且形式不统一,对于水流和悬浮物之间相互影响的机理还需要进一步探讨的现状,对平流二次沉淀池作进一步的数值模拟研究。在平流二次沉淀池的数学模型确定方面,本文通过比较和论证后,选取改进的RNGκ-ε两方程紊流模型和Mixture（混合）模型为平流二沉池的数学模型。鉴于目前选用物理模型试验验证方案尚存在问题和困难,本文通过将模拟计算结果同埃施（Esch,R.E.）曾提出的明渠弗汝德数理论成果及二沉池实际运行状态两方面相比较,证明了模型的有效性。在验证了模型的有效性后,利用前面建立的数学模型对平流二沉池进行了以下数值模拟研究。首先,对二沉池的结构和运行参数进行了优化;其次,模拟了无挡板工况的运行状态,并对二沉池有挡板和无挡板时浓度变化工况进行了模拟;最后,模拟了重力排泥平流二沉池底坡对运行状态和效率的影响。从模拟结果的分析比较可以看出,二沉池内的流态为密度分层流,池内流体存在因密度差引起的强体积力,故在进行数值模拟时,应该考虑流体密度差异引起的影响;二沉池的设计停留时间、出口结构和回流比三个因素中,停留时间对清水口的悬浮物出水浓度影响最大,排泥口的悬浮物浓度受回流比、停留时间及出口结构的综合影响;当浓度发生变化时,对两个出口的悬浮物浓度产生相应影响,随时间的延长,将趋向新的稳定状态,但是进水口悬浮物浓度的不稳定会对二沉池的运行产生负面的影响;挡板对优化布水条件,改善出水水质,缓冲进口浓度变化的影响有积极作用;池底坡度太小会对重力方式排泥的二沉池运行产生负面的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题的提出
• 1.3 国内外关于二沉池的数值模型研究及应用进展
• 1.3.1 二沉池数值模拟数学模型
• 1.3.2 数值模拟方法在二沉池优化设计中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 平流二沉池的相关理论及影响因素
• 2.1 平流二沉池的相关理论
• 2.1.1 平流二沉淀池的特点
• 2.1.2 沉淀类型
• 2.1.3 相关设计方法探讨
• 2.1.4 平流二沉池主要设计参数及方法
• 2.1.5 评价其工作效率的指标
• 2.2 沉淀池的影响因素
• 2.2.1 综合影响因素
• 2.2.2 运行参数影响因素
• 2.2.3 结构影响因素
• 2.3 本章小结
• 3 平流二次沉淀池固液两相流数值模型
• 3.1 数学模型的选择
• 3.1.1 混合模型的连续方程
• 3.1.2 混合模型的动量方程
• 3.1.3 相对（滑流）速度和漂移速度
• 3.1.4 第二相的体积分数方程
• 3.2 紊流模型的选择
• 3.2.1 标准的k-ε模型
• 3.2.2 RNGk-ε湍流模型
• 3.2.3 RNGk-ε模型与标准k-ε的模型的比较
• 3.2.4 在近壁区使用k-ε模型的处理方法
• 3.3 模型的离散与数值求解方法
• 3.3.1 SIMPLE算法
• 3.3.2 PISO算法
• 3.4 本章小结
• 4 平流式二沉淀池的模型验证
• 4.1 模型验证方法
• 4.1.1 本文所选用的验证理论
• 4.1.2 二沉池实际运行状态
• 4.2 与临界Fr'理论的相互验证
• 4.2.1 验证模型的构建
• 4.2.2 验证方案
• 4.2.3 模拟结果及分析
• 4.3 与二沉池验证实际运行状态的对比
• 4.3.1 验证模型的构建
• 4.3.2 验证方案
• 4.3.3 模拟结果及分析
• 4.4 验证结果总结及评价
• 4.5 本章小结
• 5 平流二沉池的优化以及运行参数和结构影响的模拟研究
• 5.1 关于降低出口清水悬浮物浓度及优化平流二沉池模型的研究
• 5.1.1 优化方案一:提高混合液在二沉池中的停留时间
• 5.1.2 优化方案二:优化清水出水口的结构
• 5.1.3 优化方案三:优化出水口的结构、停留时间及回流比
• 5.1.4 模拟结果分析
• 5.2 无挡板工况的研究
• 5.3 关于进水悬浮物浓度变化及浓度大小对运行状态的影响的研究
• 5.3.1 有挡板时浓度变化对运行状态的影响
• 5.3.2 无挡板时浓度变化对运行状态的影响
• 5.3.3 浓度大小对运行状态的影响
• 5.4 关于池底坡度的研究
• 5.4.1 池底坡度i=0%的模拟研究
• 5.4.2 池底坡度i=2%的模拟研究
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录