数值模拟在水污染控制实验教学中的应用

张 瑜， 芦 星， 彭 勤， 王桂芳， 杨树成

（西安交通大学a.能源与动力工程专业国家级实验教学示范中心；b.能源与动力工程学院，西安710049）

0 引 言

环境工程是一门综合性和实践性较强的学科，水污染控制工程作为环境工程专业核心课程之一，内容涉及物理、化学和生物处理等多种废水处理技术和工艺，是多门自然科学知识的综合应用［1-3］。水污染控制工程实验是教学中实现理论与实践结合的重要过程［4］，有助于加强学生对废水处理技术基本理论的巩固，提高学生对专业理论知识的综合应用能力，对拓展学生知识结构面及创新精神具有非常重要的作用［5］。

传统教学过程比较注重概念、原理等知识的传授，而以工程思维训练为主的解决复杂问题、创新能力的培养在一定程度受到局限［6］，其原因是课程部分内容比较抽象，而大多数教学实验的因素和水平已经给定，这导致水污染控制教学实验与快速发展的实际应用逐步脱节，废水处理的前沿技术更无法充分体现［7］。学生基本停留于水质参数测定和处理装置系统的初步认识，无法深入探索工艺流程、影响因素及反应器的结构特征等。

但在本科教学实验中，创新和探索性实验开展往往需要面对很多困难。以废水好氧生物处理综合实验为例，其正常运行涉及机械设备控制、运行参数调整等方面，也往往受接种污泥活性和沉降性能的限制。而且污泥驯化需要数10天，若改变进水水质、运行条件或反应器结构等参数，得到可靠的实验结果也需几天甚至更长时间，期间水质分析任务也是非常繁重耗时［8］。此外，生物反应器运行效果的好坏与不同结构模型的内部流场特性密切相关，合适的流态有利于污染物和微生物的均匀分布和良好接触，改善微生物的生长环境和条件，提高污水处理效率。因受设备、人力和测定原理本身的限制，反应器流场特性数据的实验测定很难涵盖所有流场条件的测定，实施过程也有一定局限性［9］。因此，在教学中生物处理综合实验开展困难重重，也正因缺失实验环节认知和训练，学生对生物处理工艺的认知始终处于抽象状态。

在水污染控制实验教学中，以培养高素质应用型创新型人才为目标［10］，高校的研究者们从未停止过对其探索，现代化教育技术因交互性、及时性及直观性等多种优点，在实验教学改革上引起人们更多的关注［11］，许美兰等［7］、段凤魁等［12］探索了虚拟仿真技术在水污染控制实验教学的应用，打破了传统实验教学的局限性，弥补部分实验难以操作的不足。杨爽等［13］、于欣欣等［14］通过优化实验教学内容，引入工程仿真在线监测设备，模拟科研情景的模式，让学生加深对知识的理解和运用，提高学生的实践动手能力。王永强［15］利用ANSYS/FLOTRAN技术辅助教学，使学生更好地了解水污染控制工程的反应机理和工艺过程，同时也补充在实际操作中难以完成的实验教学内容。

为此，课题组尝试利用不同教学手段的互补促进作用，创设科研情境，借助数值模拟技术开展实验教学，突破现有教学条件对实验在时空上的制约。并以厌氧内循环（Internal Circulation，IC）反应器的流场特性及结构优化综合实验为例探索数值模拟技术在实践教学中的应用，模拟流场特性，优化反应器结构参数，使学生在实际问题的探索中掌握厌氧反应器的特点，极大促进了学生对反应器内流场的认识，以达到培养学生专业实践能力和创新能力的目标。

1 数值模拟技术在教学中的应用

根据教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》，新时代我国教育改革发展应“坚持信息技术与教育教学深度融合的核心理念”［7］。在此背景下，实验教学信息化是发展的必然趋势和迫切需要。数值模拟实验技术主要借助计算机技术，建立一个能够反映问题本质的数学模型，寻求高效率、高质量、高准确度的计算方式，在此基础上完成对程序的编制，并完成计算验证［16］。因此，数值模拟实验技术是实现教学信息化的重要手段和载体［17］。对于一些概念理解抽象、实验操作时间较长、存在安全隐患的综合性实验，可以借助数值模拟技术，更形象直观地理解，同时加强对知识点的掌握和巩固，提高实验效率。在数值模拟技术应用于水污染控制实验教学中，设计有以下几个环节。

（1）确定合适的实验内容。结合本科大创项目、毕业设计及开放性实验项目，让一些学有余力的学生参与复杂问题的模拟研究，或承担简单的科研模拟任务，既巩固课堂所学理论内容，又可以引导学生拓展知识面，有利于培养学生独立创新的科研能力［18］。

（2）学习模拟实验方法。考虑到本科生的实际能力情况，在学生独立模拟实验之前，老师先做简单介绍，对模拟对象建立几何模型，通过改变相关变量，得到数值模拟求解过程，讲解所采用的理论，详细讲解结果分析方法，以及边界条件的变化设置。先安排具体、简单的模拟任务，让学生自主选择时间和地点完成，采用开放性的实验环境，激发学生自主学习的能力［19］。

（3）开展数值模拟实验。掌握实验方法后，学生可独立模拟具体实验参数，通过比对模拟结果，确定最佳实验参数。在整个模拟过程中，学生是实验主体，老师在其中对有异议的给出合理的建议，并进行启发性的引导，让学生主动解决问题［20］，完成模拟实验。

（4）数据分析及实验验证。在数值模拟实验结果的基础上，采用优化后的实验参数，开展实验操作。并通过比对模拟结果与实验数据，加深对实验过程的理解，验证模拟过程各参数准确性，为工程设计提供依据。

2 教学案例分析

厌氧反应器研究与开发一直是厌氧技术发展的热点问题，反应器内部流体力学特性对生化反应过程也有着极大的影响［12，21］，以厌氧IC反应器的流场特性及结构优化综合实验为例，利用计算流体动力学（Computational Fluid Dgnamics，CFD）软件模拟实验室规模IC反应器的内部流场，并且对其内循环系统结构优化进行初步探索，使学生掌握IC反应器流场特性与结构特点以及生物反应器流态研究的基本方法。

2.1 实验方法

2.1.1 模型搭建

根据IC反应器运行条件下的特点，假设气液流动过程为不可压缩，相间没有质量传递，且不考虑温度和传热的影响。参考相关研究［22-23］，模拟过程将气液固3相系统简化为气液两相系统，选用欧拉气液两相流模型，利用空气模拟沼气，清水模拟废水。利用Gambit软件对几何模型进行网格划分，并对气体和液体进口、气液界面以及气体出口进行网格加密，确保满足精度要求。

边界条件：IC反应器进水口以及产气带设为速度进口条件，第2反应室上方溢流堰处设置为自由液面，集水槽上方设置气体压力出口，所有其他固体表面，包括第1、2级三相分离器以及两个反应室各自的导流筒均设置成无滑移壁面边界条件。初始条件：液相初始速度为0，气相体积分数为1，其他为默认值。气液交界以上为气体区域，以下为液体区域。

数值计算：选择基于压力的二维隐式求解器进行非稳态计算，压力耦合采用SIMPLE算法进行计算［24］。

2.1.2 流场模拟

IC反应器主体高400 mm，直径150 mm；三相分离器集气罩高度为70 mm，进口处直径100 mm，上端安装提升管直径12 mm，对模型进行网格划分和边界类型设置，将网格文件导入到Fluent中，进行相同步长的瞬态运算，至流态达到稳定，得到的通气时间相等时停止计算，取其结果进行分析。

2.2 IC反应器内部流场模拟结果

以进气量为0.08 m3/h的反应器模拟结果为例，如图1（a）所示，第1反应室中气体从底部均匀进入反应器，带动液体向上运动，径向范围内从反应器壁面到中心轴处，液速增大；液体主要从中心轴大流速区域被气体携带，经过第1级三相分离器，进入提升管［见图1（b）］；反应器中心大流速附近形成涡流，液体局部回流返混，不进入提升管。气液进入分离器，气体由出口流出，液体内部循环。通过流场模拟，学生很直观地理解反应器内气液的流动状态，加深了对IC反应器运行的认识。

图1 实验室规模IC反应器速度矢量分布

IC反应器达到稳定状态后各指标如图2所示，分别为湍流强度分布［见图2（a）］、液相速度分布［见图2（b）］和气含率分布［见图2（c）］。可见，在三相分离器直径范围内，湍流强度明显高于反应器其他区域。结合液相速度分布图可知，速度大的区域相应湍流强度大，这正是气体作用的体现。图2（c）中三相分离器集气罩及提升管内气含率明显高于反应器反应区域，沿中心轴路径阻力最小，气体多数由此向上带动液体流动；第1反应室内气含率高于第2反应室，可见三相分离器以及气封可以很好地起到收集气体的作用。

图2 IC反应器流场各指标分布云图

2.3 实验可行性验证

采用不同进气量，实验室操作IC反应器，测定反应器的提升液量，与数值模拟数据进行比较，验证CFD模拟可行性。

由图3所示可见，在气量范围为0.05～0.08 m3/h范围内模拟结果吻合度较高，其相对误差均低于15%，而在0.09～0.1 m3/h范围内相对误差明显增大，但仍然低于30%。其原因是曝气管泵入的气体速度增大，在反应器有限的高度内不能达到反应器内均匀分布，导致气体停留时间减小，液体提升量减小；而CFD模拟中，设置气体进口面积小，布气均匀，进气量变化范围不大的情况下对提升量的增大趋势影响不大，导致在较高的产气量下，模拟的提升量明显高于实验提升量。

图3 实验数据与CFD模拟数据对比

3 结 语

在教学实验过程中通过采用数值模拟的技术，教学效果主要在两个方面有明显提升。

（1）学生理解掌握基本理论和分析问题的能力有显著提高。借助CFD技术后，学生对生物反应器内部流场有更直观、更本质的认识，通过观察和分析云图分布，对IC反应器结构特点有更深入的理解，对运行中出现的现象更容易解释，并能够自主预判反应器的结构设计对实验结果的影响。开展数值模拟可以为后续的实验开展提供指导，进一步完善实验操作流程，不仅提高了学生分析和解决问题的能力，同时培养了他们的实践动手能力和创新意识。

（2）弥补水污染控制实验体系的欠缺。利用CFD技术可以使复杂的动态废水生物处理工艺实验顺利有效地完成，通过优化实验条件，能够立刻得到实验结果反馈，激发学生的实验兴趣，提高了学生自主性及对知识运用和转化能力。同时CFD技术避免了实验过程中因多种因素干扰对实验结果的随机性影响，使学生将理论、实验与工程应用更好地联系起来，丰富了教学实验的内容，拓展了实验空间，使得水污染控制实验教学体系更加完善。

数值模拟实验技术作为实践过程的一个教学手段，可以很好地完成教学内容的探索与实践，提高学生的废水处理实践和创新能力，对学生毕业后就业及参加科研都具有积极的作用［18］。目前已逐步在其他实验中得到应用及推广，今后水污染控制工程实验将继续在课程体系、教学模块及教学技术手段等方面进一步发展和完善，以适应新时代人才培养的需求。