新型水处理器的水模实验和CPFD模拟研究

王淑婵，姚 心，吕 东，孙宁磊，曹 敏，张立栋

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.东北电力大学，吉林 吉林 132012)

0 背景

针对实际工业生产和污水处理的进水量大、进水固含低、流速快等特点，中国恩菲工程技术有限公司进行设计及搭建集过滤和浓缩于一体的新型水处理器实验装置[1-2]。既能起到悬浮物过滤作用，同时又使悬浮物得到浓缩后回收；进而从某种程度上缓解了沉淀池和浓缩池的占地面积大、投资成本高和运行管理费用高等问题。而且该技术装置的研究和开发，对实际工业生产和污水处理运行过程具有十分重要的现实意义。

但新型水处理器的设计放大仅凭使用者经验，本文则通过水模实验和数值模拟方法对其进行优化研究，并为工业化设备选型和工艺操作提供理论参考[3]。

1 实验设备与方法

本实验采用偃师试验基地已有的红土镍矿作为过滤原料，加入配备有搅拌器的给料槽。视实验情况加入絮凝剂溶液。经定量泵的实验原液流入水处理器，在进料管道上安装有玻璃转子流量计，可通过调节过滤器进口阀门的开度对流量进行调节。新型水处理器使用的过滤材料为某种特制的泡沫微珠，其上方装有滤网对其进行拦截。进行PIV实验时，为防止激光反射，使用黑色胶带遮挡泡沫微珠层。

新型水处理器简化模型如图1所示。以进料流量30 L/h计算，进水流速为0.054 2 m/s，通过颗粒层的水流速度是0.001 1 m/s。矿浆颗粒为红土矿，实验原液含固量为100×10-6mg/L，固体颗粒粒径小于10 μm，自测其密度为2 588.5 kg/m3。

图1 颗粒床简化模型图

PIV技术是一种随着计算机和电子信息技术的发展而发展起来的先进非接触式测量流场的测量技术，已经被广泛应用于流场测量领域，它可以实现对流场的无干扰、非插入、非接触测量且具有较高精度，非常适合流化床内颗粒流动特性的研究[4]。

本文采用常见的聚苯乙烯粉末作为测量流体流场的示踪粒子，并用PIV测量的速度矢量场对水处理器的数学模型进行验证。考虑到颗粒层激光打不透并产生反射，本次PIV测量区域限制在泡沫微珠颗粒层以下部分。

2 数学模型与方法

所谓CPFD方法，从本质上是一种基于multiphase particle-in-cell方式的数值计算方法，能够在三维空间内耦合求解流体和大量颗粒的动量方程。其中，流体相利用Eulerian方法处理，动量方程用Navier-Stokes方程表示，而颗粒相则用Lagrangian方法处理并与流体相方程相耦合。本方法将具有相同属性的颗粒打包为计算颗粒提高效率，首先通过相间插值算子将颗粒信息映射到欧拉体系，运用颗粒应力方程在Eulerian体系下计算颗粒间作用，计算曳力并映射回Lagrangian体系，最后在Lagrangian体系下求解计算颗粒的运动[5-6]。

采用solidworks建模，并使用CPFD自带的笛卡尔网格划分方法生成中等精度结构化网格，网格数445 842个，计算时间步长均设定为0.01 s。

因滤网模型占用内存极大，影响计算速度，因此进行简化处理。在三维模型原滤网处进行5 mm厚的切除，模型因此被分割成2个实体，导入Barrucuda软件后，再采用边界连接器(BC Connector Editor)方式连通。

颗粒曳力模型选用Wen-Yu/Ergun模型。其他模拟参数如表1所示。

表1 模拟参数表

3 结果与讨论

3.1 物性参数测量结果

采用激光粒度仪测得未絮凝矿浆粒度分布如图2所示，D50为4.004 μm，该分析报告与实际基本相符。

图2 矿浆颗粒未絮凝时粒度分析报告图

图3所测D50粒径为5.546 μm，仅比未絮凝时平均粒径增大1 μm，分析认为激光粒度仪测量时采用的超声将絮凝的矿浆颗粒打撒，与实际絮凝后的粒径不符，将超声关闭后重测。

图3 矿浆颗粒絮凝后粒度分析报告图

图4所测D50粒径为15.43 μm，颗粒粒径增大明显，可为絮凝效果提供参考。将图2和图4所测颗粒及其粒径作为水模实验的实验原料和数值模拟的初始条件参数。

图4 矿浆颗粒絮凝后粒度分析报告(未加超声)图

3.2 PIV实验结果

图5是流体速度矢量场的PIV结果和模拟结果的对比，近壁区由于折射造成PIV实验流速偏大，但水模实验有力的证明了模拟结果的准确性。下方进口的水以较大流速冲入反应器向下流动，冲入一定高度后受到惯性阻力，开始沿侧壁向上流动，形成沿侧壁流动的回流。

图5 流体速度矢量场的PIV结果和模拟结果对比图

3.3 数值模拟结果

由图6不同时间下的新型水处理器的数值仿真结果看出，在进口流速的带动下，大颗粒由于惯性作用自上向下运动；小颗粒更容易受涡流作用产生向上运动，小颗粒的运动轨迹基本与反应器内水的流动方向保持一致。随着时间的延长，60 s后进水管上方发现颗粒的上浮，这与水模实验所见情况一致。

图6 新型水处理器的数值仿真结果

颗粒随液体进入水处理器，由于液流和颗粒自身重力的作用获得了较大的加速度，开始向下运动，随着流化的进行，颗粒在重力和曳力的共同作用下，速度逐渐增加。当向下运动到一定高度时，颗粒由于受到水处理器下部液体的浮力作用开始向床层两侧运动，当运动到达壁面附近时，颗粒开始向上运动。从而形成了水处理器中心区域颗粒向下流动、壁面区域颗粒向上流动的循环流动结构。

整体而言，颗粒所受的曳力与粒径的平方成正比，颗粒的重力却与粒径的3次方成正比。当颗粒粒径减小的时候，重力减小的速度远大于曳力减小的速度，小颗粒的曳力会大于重力，所以小颗粒会更加容易的往上部运动。

180 s后大部分颗粒在反应器底部沉积，少部分颗粒被泡沫微珠颗粒层阻截，新型水处理器过滤效果良好。

4 结论

本文针对新型水处理器进行了实验参数测量、水模实验和CPFD模拟研究，得到如下结论：

(1)未絮凝矿浆粒度D50为4.004 μm，加入絮凝剂矿浆粒度D50增长为15.43 μm，增大的矿浆粒度可更有效被泡沫微珠拦截；

(2)PIV实验结果验证了数值模拟结果的准确性，水以较大流速进入反应器向下流动，冲入一定高度后受到惯性阻力，开始沿侧壁向上流动，形成沿侧壁流动的回流；

(3)由CPFD模拟仿真结果可知，大部分颗粒在反应器底部沉积，少部分颗粒被泡沫微珠颗粒层阻截，与现场实际状况一致。