臭氧接触池数值模拟与优化研究

论文摘要

随着人们健康意识的提高和对饮用水水质的重视,传统饮用水消毒处理工艺已经很难达到新的水质标准要求。臭氧作为高效的氧化剂和杀菌剂,以其良好的处理效果已经成为饮用水深度处理的首选。本文以提高臭氧接触池消毒效率为目的,利用计算流体力学(CFD)商用软件FLUENT作为仿真计算平台,对接触池的内部结构进行优化设计研究。本文提出了评价臭氧接触池消毒效率的有效水力停留时间(T10)的的概念,T10能更准确地反映臭氧在接触池内的实际停留时间。根据Froude相似准则建立了按原型以1/25比例缩小的臭氧接触池中试模型,并分别采用三种不同的优化方法对接触池进行了示踪模拟得到了累计停留时间分布函数,最后采用组分输运模型方法与金俊伟中试实验结果进行了校核对比,CFD模拟的T1o/T值与中试模型的值比较吻合,两者的差值小于9%,进一步佐证了采用组分输运模型来模拟有效水力停留时间的准确性和优越性。为提高臭氧接触池消毒效率,对接触池原型进行了优化改造,采用组分输运模型方法分别模拟了接触池在六种方案下的水流流场,并得出了示踪剂停留时间分布函数曲线。通过T1o/T值和水流流态得出：臭氧接触池中反应室的数目增加可以改善流场流态,提高消毒效率；当接触池第①、Ⅱ和Ⅲ反应室之间的长度比为1：2：3时,接触池能够达到更好的消毒效果；通过增设穿孔墙、水平隔板和导流板可以将接触池的消毒效率提高23%～40%,并使池内流场更加均匀。为进一步验证臭氧接触池结构优化方案的可行性,对三种优化方案进行了自由液面追踪模拟和气液两相流数值模拟,模拟结果证实对接触池内部结构进行改造可以改善接触池中的流速分布和减少原流场中的短流和回流。通过模拟可以得出臭氧在优化方案中的接触池内体积分数分布和质量浓度分布更加均匀,且分散到整个接触池区域。研究结果一致认为并推荐方案六作为原接触池的优化方案和改进方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和选题意义
• 1.2 饮用水深度处理臭氧化工艺
• 1.3 CFD方法在臭氧接触池中的应用
• 1.4 国内外文献综述
• 1.5 研究内容及技术路线
• 1.6 本文创新点
• 第2章 计算流体力学（CFD）模拟方法
• 2.1 CFD简介
• 2.1.1 前处理软件GAMBIT
• 2.1.2 计算软件FLUENT
• 2.2 计算流程
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 离散格式
• 2.3.3 紊流模型
• 2.3.4 多相流模型
• 2.4 网格类型和选择
• 2.4.1 网格类型
• 2.4.2 网格单元
• 2.4.3 网格划分
• 2.5 边界条件与控制参数
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 求解控制参数
• 第3章 臭氧接触池优化原理与方法
• 3.1 反应器原理
• 3.1.1 理想反应器
• 3.1.2 实际反应器
• 3.2 消毒效率指标
• 3.2.1 消毒
• 3.2.2 CT值指标
• 10/T值指标'>3.2.3 T₁₀/T值指标
• 3.2.4 停留时间分布函数
• 3.3 臭氧接触池模型
• 3.4 臭氧接触池优化方法
• 3.4.1 组分输运模型
• 3.4.2 离散相模型
• 3.4.3 UDS输运模型
• 3.4.4 三种优化方法比较
• 3.5 与中试试验对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 臭氧接触池数值模拟与优化
• 4.1 计算综述
• 4.1.1 模拟步骤
• 4.1.2 物理模型建立和网格划分
• 4.1.3 边界条件和求解参数
• 4.2 臭氧接触池结构优化模拟
• 4.2.1 臭氧接触池停留时间模拟
• 10/T和T₉₀/T值比较'>4.2.2 T₁₀/T和T₉₀/T值比较
• 4.2.3 流态模拟
• 4.3 臭氧接触池优化方案选择
• 4.4 本章小结
• 第5章 臭氧接触池两相流数值模拟
• 5.1 自由液面问题
• 5.2 CFD模型计算
• 5.2.1 物理模型及网格划分
• 5.2.2 VOF模型
• 5.2.3 重整化群模型
• 5.2.4 边界条件及初始条件
• 5.3 模拟结果与分析
• 5.3.1 模拟计算
• 5.3.2 速度分布
• 5.3.3 浓度分布
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• UDS_UNSTEADY）宏'>附录1 （DEFINE_UDS_UNSTEADY）宏
• UDS_FLUX）宏'>附录2 （DEFINE_UDS_FLUX）宏
• 附录3 （攻读学位期间所发表的学术论文目录）