利用CFD技术对平流式二次沉淀池的数值模拟及优化改进

论文摘要

平流式二次沉淀池是水处理系统中的重要组成部分,其设计与运行情况关系到整个污水处理的效果。现有沉淀池设计中还是依据理想沉淀池假设,暴露出了许多问题。应用计算流体力学(CFD)的方法数值模拟研究水处理构筑物反应器流体运动特性,从而对构筑物运行设计提出优化改进,正逐渐成为设计工作中的一条新思路和重要方法。本文综述了CFD技术应用到沉淀池研究中的国内外进展状况,简要介绍了通用计算流体力学软件Fluent的特点和湍流、固液两相流数学模型。对Imam简化矩形沉淀池实验进行数值模拟计算,并与实验中速度测定值对比,验证了数值模拟方法的有效性。查阅相应的设计规范,设计了一座平流式二次沉淀池,分别对沉淀池单相水流稳态运动和固液两相流非稳态运动情况进行数值计算分析。结果表明：沉淀池内单相水流运动的实际流态中存在着明显的回流区和死水区,是造成沉淀效率不高的一个重要原因；同时对沉淀池内沿程断面水流速度分布特征情况的考察表明,无论是水平方向还是竖直方向,都无法符合理想沉淀池有关池内流速分布的假设。在固液两相流运动中,对池内固液两相耦合运动中的速度分布情况和沿程断面浓度分布情况进行分析,结果与二次沉淀池实际运行工况中的四区双界面理论对比验证后较为一致。在沉淀池优化改进方面,本文以清水口出水悬浮物浓度(SS)和去除率为主要考核指标,着重对颗粒粒径,回流比,坡度以及排泥量等影响因素进行了分析,结果表明：①颗粒粒径越大,越有利于颗粒沉淀过程的进行,去除率越高。②变回流比工况运行下,回流比的增大会引起池内水平方向流速变大,进而会缩短二次沉淀池的水力停留时间,造成清水口出水SS值显著上涨和沉淀效率的明显下降；③改变坡度的尝试对于沉淀池去除效果方面并无显著影响；底坡越大会使得池内高差明显,池内流入泥斗的污泥量越多,沉淀池清水口去除率也相对较高一些；但是过大的坡度将会增加埋深和提高成本预算。应针对实际情况,在去除率和成本投资之间选择合理坡度；④单纯增大剩余外排泥量,清水口出水SS值逐渐降低；这表明增大外排泥量对于沉淀池去除率的提高有积极意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的,意义
• 1.3 国内外相关研究综述
• 1.3.1 国外相关研究情况
• 1.3.2 国内相关研究情况
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 CFD技术以及商用软件-FLUENT简介
• 2.1 CFD技术概论
• 2.1.1 CFD简介
• 2.1.2 CFD分析问题步骤
• 2.1.3 CFD技术发展情况
• 2.2 FLUENT简介
• 2.2.1 FLUENT软件的构成
• 2.2.2 Fluent软件的特点
• 2.3 有限体积法原理
• 2.4 使用FLUENT分析问题的步骤
• 第三章 湍流与固液两相流模型
• 3.1 湍流数值模拟概述
• 3.2 湍流运动的计算模型
• 3.2.1 直接模拟方法
• 3.2.2 非直接模拟方法
• 3.2.3 本课题选用的湍流模型
• 3.3 固液两相流模型
• 3.3.1 固液两相流模型介绍
• 3.3.2 混合模型的数学方程
• 3.4 离散格式与流场迭代的数值算法
• 3.4.1 离散格式
• 3.4.2 数值解法
• 3.4.3 一般情况下的求解策略
• 第四章 平流式二沉池的数值模拟
• 4.1 平流式二次沉淀池的设计
• 4.1.1 设计标准
• 4.1.2 沉淀池几何图形
• 4.2 数值模拟方法有效性的验证
• 4.2.1 简化的矩形沉淀池模型
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 数值方法和初始条件
• 4.2.5 计算结果分析与讨论
• 4.3 平流式二次沉淀池的数值模拟
• 4.3.1 模型的简化
• 4.3.2 单相流场的模拟
• 4.3.3 固液两相流的数值模拟
• 第五章 沉淀池的优化改进建议
• 5.1 颗粒粒径对沉淀效果的影响
• 5.1.1 不同粒径工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线
• 5.1.2 不同粒径工况下沿程断面速度场分析
• 5.1.3 计算结果讨论与分析
• 5.2 回流比R对沉淀效果的影响
• 5.2.1 变回流比工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线
• 5.2.2 变回流比工况运行下池内沿程断面速度场分布情况
• 5.2.3 计算结果讨论与分析
• 5.3 底坡坡度对沉淀效果的影响
• 5.3.1 不同坡度工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线
• 5.3.2 池内沿程断面浓度场变化
• 5.3.3 计算结果讨论与分析
• 5.4 外排污泥量对沉淀效果的影响
• 5.4.1 不同外排污泥量工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线
• 5.4.2 不同外排污泥量工况下沿程断面平均体积浓度
• 5.4.3 计算结果讨论与分析
• 第六章 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢