CFD在生产污水环保领域的应用研究

王遗

(中国医药集团重庆医药设计院，重庆400042)

1 引言

混合对于搅拌污水箱的处理污水能力影响至关重要，尤其是微生物污水处理系统，良好的混合可以为微生物提供充足的气含率，提高污水的处理能力。但经常会遇到由于搅拌浆选型和布置不合理而导致污水处理箱内死水区和污泥沉淀等问题，同时在污水处理过程中，经常会引起气泛的问题。通过合理设计搅拌器的布置、优化搅拌器的组合等，可以有效控制流动状态，避免池中的死水区和改善污泥沉淀等现象，从而提高系统整体的污水处理能力、降低系统能量消耗。如果使用传统的实验的方法，将会需要大量的人力与时间，计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的出现改变了这种方式，近年来已经广泛地应用与污水处理领域[1～3]。本文采用CFD方法模拟研究了全尺寸污水处理箱的流场分布特性，分析了搅拌浆在不同组合下的混合传质能力。

2 材料与方法

2.1 CFD研究概况

Computational Fluid Dynamics(简称 CFD)是计算流体动力学的简称，是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无粘绕流和粘性流动进行数值模拟和分析的学科，计算力学的一个分支。无粘绕流包括低速流、跨声速流、超声速流等，粘性流动包括湍流、边界层流动等。计算流体力学是为弥补理论分析方法的不足而于20世纪60年代发展起来的，并相应地形成了各种数值解法。主要包括有限体积法、有限差分法和有限元法。其中有限体积法应用最为广泛，特别是在商用软件和研究用程序中最为常见。近几年，随着商业CFD软件的发展，简单的操作平台和友好的用户界面使得CFD的应用更加普及，其应用领域愈加广泛，比如水力、电力、环保、冶金以及生物化工等。

2.2 通用CFD软件的构成

CFD软件基本由3部分组成：前处理、解算器和后处理。常用通用的 CFD软件有：FLUENT、CFX、STAR－CD、PHOENICS等。本文中使用 CFX软件，CFX还是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业通用CFD软件，是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将准确的计算结果、丰富的物理数学模型、强大的用户扩展性应用作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的优越成就，引领着CFD技术的不断发展。

2.3 研究方法

本文的计算采用的是有限体积法，对方程组的求解一般采用TDMA算法，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法。采用非结构化网格，网格的划分采用的软件为ANSYS ICEM CFD，网格采用四面体网格。

3 结果与分析

3.1 污水厌氧处理箱罐顶进式搅拌器参数

防水厌氧处理箱罐顶进式搅拌器参数见表1。

表1 污水厌氧处理箱罐顶进式搅拌器参数

4.2 轴截面/mm Φ200/273×24 4.3 叶轮材质 碳钢衬丁基胶4.4 叶轮型式 三层斜叶/二层斜叶一层直叶4.5 叶轮直径/mm 5000 4.6 转速/(r/min) 26 4.7 叶端线速度/(m/s) 6.81 4.8 悬臂长度/mm 700/19500

3.2 污水厌氧处理箱模拟结果

3.2.1 不同形式搅拌桨组合速度场分析

图1是污水处理箱3种不同的速度场分布图，从上至下组合依次为三层斜叶、二层斜叶一直叶及三层斜叶箱壁带挡板。

图1 污水处理箱的速度场分布参数图

速度矢量场分析：气含率、剪切应力、湍动能的分布都跟流体的速度和流向有着密切的关系，从图1可以看出，整个三层斜叶组合的速度矢量的分布是两个规则的大循环，液体沿着箱壁往下流动，沿着搅拌轴网上流动，整个流场速度矢量分布很规则，上下的液体能得到很好的混合，但是从速度矢量的大小分布来看，箱体壁和轴之间的速度矢量很大，轴和箱体壁之间的距离则太小，这对于液体较大量的箱体中间部分的混合是不利的。因此也可以得出全部使用轴向组合的搅拌桨不配其他条件对混合是不利的。

从图1中间的二层斜叶一直叶搅拌桨的组合可以看出，整个速度矢量场的分布是极不均匀的，分层现象比较严重，液体从上部沿着箱壁下来以后就不往上运动，说明了这样是不利于液体的上下混合的，这将导致上部和下部气含率的分布不均匀。另外从速度矢量的大小也可以看出，相对于三斜叶的组合，底部液体的径向混合更好，中部液体的混合也更加均匀，但是径向混合就比较差。

图1下方的污水处理箱速度矢量场可以看出，相对于前两种组合，箱壁加了挡板以后，速度矢量场的大小分布整体比较均一，这说明了增加了挡板以后，整个污水处理箱的径向流加强，较大的径向速度使得液体的径向混合更加强烈。整体上看，污水处理箱也是形成了两个大的上下循环，因为挡板的作用两个循环影响到的中间液体的流动，因此整个流场分布更加均一。

3.2.2 不同形式搅拌桨组合剪切应率场分析

图2为污水处理箱3种不同的剪切应率场分布图，从上至下组合依次为三层斜叶、二层斜叶一直叶及三层斜叶箱壁带挡板。

从图2最上边的剪切应率分布图可以看出，整个三层斜叶组合的剪切应率的分布是3个搅拌桨附近极大，达到46 s－1以上，但是污水处理箱的轴两侧以及底部的剪切应率非常小，箱体壁附近是1 s－1左右，箱体底部许多地方甚至达不到0.1 s－1，因为液体的剪切应率的大小跟液体的流动是正相关的，说明了这几个地方的液体流动混合较弱，这和上面分析的速度场分布是一致的。这种剪切应率分布对混合是不利的。

从图2中间的二层斜叶一直叶搅拌桨的组合可以看出，整个剪切应率场的分布是相对于三斜叶分布均匀一些，但是从整个箱体来看浆区附近还是过大，相反浆区和箱体中间有明显的剪切应率比较弱的地方。这跟前面的径向流增加，但是轴向流减弱是相关的。

图2下方的污水处理箱剪切应率分布场可以看出，相对于前两种组合，三层斜叶并且箱壁加了挡板以后，剪切应率的分布整体比较均一，整个箱体的流动混合相比前面两种形式的搅拌桨组合更高效率。

3.2.3 不同形式搅拌桨组合湍动能场分析

从前面的速度矢量场和剪切应率场可以看出，相对于单纯的三斜叶搅拌桨组合或者两个斜叶搅拌桨组合配上底部一个直叶浆组合，三斜叶桨以及箱体加上挡板组合混合效果更佳，从图3中的湍动能分布场看更加明显，湍动能反映了湍流涡漩的尺度，其大小对混合的程度有重要的影响，三斜叶桨以及箱体加上挡板组合的湍动能分布最均匀，这和上面的分析是对应的。以上分析可以看出三斜叶桨以及箱体加上挡板组合形式对于搅拌式污水处理箱效果是最好的。

图2 污水处理箱的剪切应率场分布参数图

4 结语

本论文旨在通过对污水处理箱的CFD模拟的方法研究对应，进一步分析总结出搅拌桨形式对污水处理箱内部流场的影响，为污水处理箱设计过程优化和放大提供新的方法。

因此本文得出以下结论：CFD能很好地模拟出污水处理箱的流场，能在环保其他领域上有较大应用;CFD技术不仅可以预测不同搅拌浆组合所产生的流场，还可以预测污水池中每个搅拌器的合理安装位置，污水处理箱的设计会更加快速、经济;相对于单纯的三斜叶搅拌桨以及两个斜叶一个直叶的搅拌桨组合，三斜叶桨以及箱体加上挡板组合形式对于搅拌式污水处理箱效果是最好的。

图3 水处理箱的湍动能场分布参数图

[1] Z Do － Quang，A Cockx，A.Line et al.Computational fluid dynamics applied to water and wastewater treatment facility modeling[J].EnvironEngg and Policy，1999(1)：137 ～147.

[2] Bob De Clercq，Peter A.Vanrolleghem，Computational fluid dynamics in wastewater treatment[M].Med Fac：Landbouww Univ Gent，2002.

[3] Bob De Clercq.Computational fluid dynamics of settling tanks：development of experiments and rheological，settling and scraper sub models，PhD thesis，Dept of Applied Math，Biometrics and Process Control(BIOMATH)[M].Belyium：University of Ghent，2003.

[4]戴干策，范自晖，姚一平.搅拌反应器中湍流微结构的研究[J].高校化学工程学报，1986(1)：1～5.

[5]李人宪.有限体积法基础[M].北京：国防工业出版社，2009.