利用CFD技术对平流式二次沉淀池的数值模拟及优化改进(可编辑)

利用CFD技术对平流式二次沉淀池的数值模拟及优化改进(可编辑) 利用CFD技术对平流式二次沉淀池的数值模拟及优化改 进 分类号:~ ? 滚步太海 硕士学位论文 利用技术对平流式二次沉淀池的数值模拟 及优化改进 何航 导师姓名职称 赵剑强教授 工学硕士 学科专业名称 环境工程 申请学位级别 论文提交日期 年月日论文答辩日期年月日 学位授予单位 长安大学 张志杰教授 答辩委员会主席 学位论文评阅人 李彦鹏教授李国栋教授娩 : : ’ 劬’,。。。。。。。’??。。。。。。。’。。。。’。。? ?。。。。。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’?。。’??????????????? 论文独创性声明 本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 仍锹 年‖月日 、 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时,署名单位仍然为长安大学。 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名:彳司 年乡月日 舭 年月日 导师签名:寥眵、捅姜 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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。应用计算流体力学的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 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的特点和湍流、固液两相流数学模型。对简 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:?颗粒粒径越大,越有利于颗粒沉淀过程的进行,去除率越高。 ?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,造成清水口出水值显著上涨和沉淀效率的明 显下降;?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;?单纯增大剩余外排泥量,清水口出水 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。 关键词:平流式二次沉淀池数值模拟粒径回流比坡度剩余外排泥量 切 砒出 .讹 肫.踟【 ? 咖 甜嬲, .“, 也 ,觚 . , 觚 、,嬲, .锄’ ?, 切 妇、 觚啪 . 伍 . 】咄 仃 , . 也 】威 ? 勰】 . 踟?, . 曲 伍.州, , 锄 嘶 够】【啪., 印趾舔 时 ., 巧 甜】【【 叮 . 墩, 嬲萄 , 骶 ’印 伍 , . ,?锄 矾. , ,锄 锄 至胁 ,略 , 、访.锄 , , . 艉? 砌 髓,曲 虢 缸 , 曲伍曲 , 唱 谢弱 觚 . , 】弦嬲 蠲 , ’ . : ;;哪 ; 锄;.啪 ;; 目 录 第一章绪论?. .研究背景? .研究目的,意义. .国内外相关研究综述?. ..国外相关研究情况? ..国内相关研究情况? .主要研究内容第二章技术以及商用软件.简介?. . 技术概论?.. .. 简介?. ... 分析问题步骤? .. 技术发展情况?. . 简介? .. 软件的构成 .. 软件的特点? .有限体积法原理. .使用分析问题的步骤 第三章湍流与固液两相流模型?一 .湍流数值模拟概述??. .湍流运动的计算模型? ..直接模拟方法. ..非直接模拟方法?。 ..本课题选用的湍流模型?. .固液两相流模型 ..固液两相流模型介绍. ..混合模型的数学方程??. .离散格式与流场迭代的数值算法..离散格式?. ..数值解法?. ..一般情况下的求解策略第四章平流式二沉池的数值模拟?一 .平流式二次沉淀池的设计..设计标准..沉淀池几何图形?一 .数值模拟方法有效性的验证? ..简化的矩形沉淀池模型?. ..网格划分?. ..边界条件?. ..数值方法和初始条件 ..计算结果分析与讨论??。 .平流式二次沉淀池的数值模拟 ..模型的简化一 ..单相流场的模拟..固液两相流的数值模拟?. 第五章沉淀池的优化改进建议??. .颗粒粒径对沉淀效果的影响? ..不同粒径工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线??. ..不同粒径工况下沿程断面速度场分析?. ..计算结果讨论与分析??. .回流比对沉淀效果的影响? ..变回流比工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线??. ..变回流比工况运行下池内沿程断面速度场分布情况?. ..计算结果讨论与分析??.. 底坡坡度对沉淀效果的影响??.:?.. ..不同坡度工况下两个出口颗粒相平均体积浓度监测曲线??. ..池内沿程断面浓度场变化. ..计算结果讨论与分析??..外排污泥量对沉淀效果的影响. ..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??. ..不同外排污泥量工况下沿程断面平均体积浓度.. ..计算结果讨论与分析??. 第六章结论与建议 参考文献??.. 上研期间发表论文情况??.. 致谢长安大学硕士学位论文 三百下匕 第一章 帚一早 绪论 .研究背景 我国是一个水资源总体丰富,人均水资源稀少的国家。水资源总量有.万亿, 但是人均占有量不足 。而且我国水资源在时空分布上很不均衡,南方多,北方 少,%的地表水集中在长江及其以南的地区【】。随着人口增长,经济发展和人们生活 水平的曰益提高,人们对水资源的需求日益增长,水资源供需矛盾日益尖锐。当前,全 国个城市中,有多个城市供水不足,其中有个城市严重缺水。伴随着水资源 短缺现状的就是水资源受到了严重的污染,长期以来,我国环境面临着水体污染、水资 源短缺等多方面压力,水体污染加剧了水资源短缺。在今后相当长的时期内,水污染仍 将是我国环境面临的突出问题。根据中华人民共和国环境保护部发布的《年中国环 境状况公报》中对中国水环境质量状况调查显示:全国地表水污染依然严重。七大水系 水质总体为中度污染,湖泊、水库富营养化问题突出【,】。 由于大量的污水排放,我国的水污染防治工作已经成为最紧迫的环境问题之一【】。 水污染的源头主要是工业废水的不达标排放,整治源头的技术措施就是建造城市市政污 水收集处理系统。据相关资料统计,我国截止到年有各类源污、废水排放总量. 亿吨,其中工业废水产生量.亿吨,排放量.亿吨。工业企业废水处理设施 套,设计处理能力.亿吨/日,废水年处理量.亿吨。污水处理厂年实际处 理污水量.亿吨【。所以,提高污水处理构筑物的运行效率十分必要。 目前,水处理 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 中的各种常见构筑物设施相对滞后。在设计上偏重保守,反应器 的设计多依据给排水设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 和相关规范中确定的经验参数和公式进行;虽然在长期的 实践检验中有着一定的效果,但是存在着设计参数选择范围过大,依赖经验型较强的问 题【】。一旦设计参数选取不同,水处理构筑物工艺实际运行结果可能将有很大差异;传 统设计工作暴露出了很多的缺陷,存在浪费和效率低下现象。因此,对现有的处理构筑 物的各个参数进行优化和研究很有必要长期以来,对于实际工程中的运行工况多是依 靠相似准侧建立实验模型或者现场勘测、调试进行;虽然结果可靠,但是试验周期长, 人力物力浪费较严重,耗费太大。利用计算流体力学的方法研究反应器内流体运动特性, 进而对反应器优化设计进行分析,将会是设计工作中的一条新思路和重要的方法。 .研究目的和意义 在水处理工艺中,沉淀池是分离悬浮物的一种常用处理构筑物【。是基于沉淀原理,第一章绪论 水中悬浮物在重力作用下,利用固液相之间的密度差,使得密度大于液相的固体悬浮颗 粒下沉,从而实现固液分离的构筑物。它担负着去除水中大部分悬浮物的任务,是污水 处理工艺中必不可少的一个环节。此外,水处理工艺中的二次沉淀池不但要具有满足固 液分离的沉淀作用,还要具有产生污泥浓缩,回流部分污泥等功能,是整个处理系统中 非常重要的一个组成部分。据相关资料统计,沉淀池在整个污水处理系统中 投资占到 %左右【引。“限制污水处理厂效率的瓶颈【】,“活性污泥处理工艺中最敏感和最复杂 的部分【】,‘‘活性污泥系统效率低下的主要原因’’【】,等等诸如此类的描述,再次强 调了沉淀池在整个污水处理工艺中的地位和重要性。 沉淀池按照流态的不同可分为平流式沉淀池,竖流式沉淀池,辐流式沉淀池。按照 工艺布置的不同可分为初次沉淀池和二次沉淀池。但无论是哪种类型的沉淀池,设计基 础还是基于理想沉淀池的假设【】: 沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同,水平流速为; 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉,下沉速度为“; 在沉淀池的进口区域,水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上; 颗粒一经沉到池底,即认为已被去除。 可以看出,在理想沉淀池中对于流态的假设为层流。基于层流假设,在设计中依据 悬浮颗粒的沉降速度,决定相应沉淀池的尺寸。但是实际中的沉淀池流态并非理想沉淀 池假设一样,而是湍流;水流断面流速也并非均匀分布;并且沉淀池内水流流态存在着 密度异重流,温度异重流,潜流,底流等等异常复杂的流态。二次沉淀池的去 除率也常 常受到进口流量,池内流速,停留时间,以及沉淀池构筑物中各个结构的位置和尺寸的 影响。另外,沉淀池的具体结构中大部分的参数范围只是有供参考的价值,这使得设计 中经常采用经验的方法,不易优化结构。因此按照理想沉淀池的假设,设计确定的沉淀 池的尺寸就会有很大的经验型,主观性和任意性。 随着计算机技术的发展与进步,将计算机应用到流体运动的研究越来越深入,其中 一种新型的技术就是使用计算流体动力学的方法来研究流体运动的特性,近年来已经广 泛应用到了环境工程的领域。本文的研究目的是使用技术对平流式二次沉淀池二维 模型下进行数值模拟计算,通过计算清晰展示池内实际流体的流态特征和运行状况,分 析并探讨常用运行参数对于平流式二次沉淀池去除率的影响情况;从而为平流式二次沉 淀池的设计,运行以及管理方面提供一定的依据。 长安大学硕士学位论文 .国内外相关研究综述 沉淀池本质上来说是一种流体反应器,将计算流体动力学的方法应用于沉淀 池设计,从而来研究沉淀池的水流运动特性逐渐成为一个重要手段。国外有报道表明在 污水处理单元构筑物中使用技术优化了反应器的设计后,反应器的处理效率提高 了%.%【。 ..国外相关研究情况 对于沉淀池的流态研究,国外起步较早,发展也较快,具有相关不少的文献报道。 锄【”】最早发现沉淀池内的流动属于湍流,存在着紊动混合和死水回流区,但是由于 缺乏合适的流体动力学模型,锄只是大致估计了紊流在阻碍沉降方面的效果。 【】通过对矩形沉淀池的研究,建立了相关的二维数学模型。该模型基于运动方程, 连续方程,和将沉降速率同污泥浓度相关联的指数方程。在处理池内湍流的运动时,引 入了流函数和涡旋的概念,并且指出涡旋是由于沉淀池内部污泥密度梯度和固体边缘切 变所致。同时证明了二沉池内存在悬浮物密度流现象,密度流伴随着水流在入池后能迅 速的向池底沉淀。的研究为其后来的研究者建立了基准,并取得了卓有成效的结 果,其许多成果至今仍非常有效且实用。锄等”用有限体积法解决了.方程、 后一 模型和带有一定沉降速度的污泥浓缩方程通过模拟矩形沉淀池中的流场模式研究 得到池中沉淀区域的中性密度流。【 】等人在前人的基础上,通过实验设计了一种 简化的矩形沉淀池,并发展了一种数学模型,在该模型中采用的是既定的沉降速度和粒 子平均速度来模拟在中性密度操作条件下矩形沉淀池中离散颗粒的沉降,并且通过物理 实验检验了该模型。和【,通过一系列的研究,提出了描述中心进 水二次沉淀池的非稳态流的数值计算模型,该模型既模拟了沉降区域情况,也模拟了入 口区域情况。并且在之后扩展了他们在沉淀池模型方面的研究并发现,减少密度弗劳德 数而导致排泥区的上流速率的增加,主要是由于进入密度涨落区的挟带流所引起的。他 们的研究同时也表明他们所提出的数学模型足以解决沉淀池的基本尺寸选择问题,包括 深度,直径,出水渠位置,底部坡度以及边缘直径等。锄【】等利用技术对 沉淀池关于挡板位置以及结构变化对于池内流体运动流态和颗粒物取出情况进行了研 究,结果表明,延伸的挡板使得污泥迅速的向池底流动并减少循环漩涡区,使 出水的颗 粒减小了约%,显著提高沉降效率。第一章绪论 ..国内相关研究情况 国内最早的应用数值模拟的方法对沉淀池进行研究应追溯到上世纪八十年代末至 九十年代初,同济大学马鲁铭等【】通过自己编制程序,建立了沉淀池流态的数值计算模 拟方法,并对沉淀池的运行状态进行了研究,解决了大型沉淀池流态测定的难题;同时 发现了二次沉淀池流态存在回流死区的严重缺陷。清华大学顾正平等】采用利用一种半 解析半离散的数值方法来求解模型中的偏微分方程,从而确定二次沉淀池的流态,并用 实际计算说明了该方法和结果的可靠性。湖南大学曾光明等【利用以典型城市污水处理 厂平流矩形沉淀池速度和浓度分布计算为例,利用涡量一流函数法建立控制方程,并以 有限差分法中的控制容积法对方程进行了离散,求出速度分布场后,利用二维浓度迁移 方程对沉淀池浓度分布进行了计算,通过计算出的速度场数据对比前人实验研究,验证 了该方法的有效性和可行性。河海大学蔡金榜等【】利用剖开算子法,引入 标准两方程湍 流模型,模拟水流在沉淀池内具体的流动情况以及悬浮物在池内的浓度分布,并由此得 到水流在沉淀池内的流速分布、悬浮物的去除率以及水流在池内的停留时间分布。同济 大学屈强、朱炜等【‘采用改进的后一两方程模型和算法,对平流式初沉池 内速度场和周边式二沉池流态进行了数值模拟,指出平流式沉淀池沉淀存在着回流死区 性能下降的主要原因;周边式沉淀池出水口和进水口在同侧距离较近,会发生短流,沉 淀池容积利用率也较低,导致沉淀效率下降。重庆大学郑迪等【 通过数值计算,表明平 流式沉淀池中流态不属于理想沉淀池假设层流外,并且设计了月牙形挡板对流态进行了 改善等。 以上对于沉淀池的数值模拟的研究多是偏重于计算沉淀池内的单相流体的流场运 动,没有考虑悬浮物颗粒对水流运动的影响。随着数值计算理论的发展和电脑技术的进 步,也开始逐步对于沉淀池内涉及到悬浮物固液两相运动进行了一系列的研究。 郭生昌等【】在理想沉淀池层流流态的假定下,通过数值计算证明了理想沉 淀池层流 假设在实际流动中无法成立,并且对于固液两相运动在池内的运动情况进行了稳态下的 数值计算,得到了相应的浓度场,然后对沉淀池的结构,进水流量,颗粒密度,粒径等 等因素对于沉淀池的运行效果上进行了探讨,并给出了合理化的建议和分析;但是其计 算浓度场的数值方法较之于实际情况相差较多,且在其论文中未见有验证的过程。屈强 等【】通过对辐流式二沉池固液两相流数值模拟沉淀池表面和底部存在着回流死区,并且 得到了与实际相符的浓度场;西安理工大学李开展,李博等【分别通过数值模拟计算 证明了二沉池内存在着由密度和温度等情况引起的异重流,并通过理论对计算结果进行 长安大学硕士学位论文 了验证。 .主要研究内容 本课题将在前人研究的基础上使用技术对沉淀池进行数值模拟计算,考察其 内部的单相流场中流体流态,池内速度场分布情况;对固液两相耦合运动下的速度场和 浓度场变化情况进行分析,并与相应的沉淀池理论进行对应;最后,对相关研 究中涉及 较少的一些影响因素作优化设计研究。具体说来,有以下几点: 通过技术对国外学者简化矩形沉淀池的物理实验进行数值模拟,并 将模拟出的流态分布情况与实验测定数据进行对比,说明利用技术的可行性和有 效性; 根据给排水设计手册以及相关设计规范来设计一座平流式二次沉淀池,使用 技术首先对沉淀池池内单相流体运动下池内流态和速度分布情况进行分析;然后数 值模拟沉淀池固液两相流实际运行状态下的速度场、浓度场分布情况,并与二次沉淀池 实际运行工况中的四区双界面理论进行验证。 根据以上研究,对涉及到平流式二次沉淀池的去除效果的影响因素中缺少相关 研究的颗粒粒径,变回流比运行,坡度变化,增大外排泥量这四种因素在不同的工况下 进行数值模拟,考察不同情况下对于二次沉淀池具体运行效果的影响,提出优化建议, 为设计、运行以及管理提供一定的依据。第二章技术以及通用软件简介 . 第二章技术以及通用软件简介 . 技术概论 .. 简介 是计算流体动力学 锄的简称。在流体基本控制 方程质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等下,通过计算机数值计算和后期 图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想 是用一系列的,有限个的离散点上的变量值的集合来代替原来时间域及空间域上连续的 物理量的场,按照流体运动的基本方程建立起代数方程组,通过数值计算,求解代数方 程组来获得常变量的近似值,以此得到极其复杂的问题的求解。 适应性强,应用面广。其优势主要表现在: 由于流动问题的复杂性和边界特殊性,往往很难找到解析解,而利用的 方法则可以找到数值解,如果伴以较高的精度控制条件下得到的数值解,则可以直接应 。, 用在工程或者研究问题上; 可以利用的方法,通过计算机数值计算来进行各种实验;尤其是对于一 些受到条件制约,对人有害的实验进行模拟,可以减小实验周期和物力热力耗费,方便 进行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比较得到最优化的方案; 方法也有一些局限性,主要表现在: 数值计算方法本质是一种离散近似的计算方法,在数值计算中本身就会存在计 算误差; 对边界条件要求比较高,依赖于物理上合理,数学上适用,易于在计算机上实 现的边界类型; 方法主要是用计算机来进行工作,所以对程序的编制等等很大程度上要求 的是经验和技巧,如果程序编制不当,则会出现数值粘性和频散等物理效应; 由于涉及到了大量的数值计算,需要计算机较高的存储空间和计算性能, 因此对计算机硬件配置要求较高; 传统理论分析方法的优点在于所得的结果具有普遍性,是指导实验和验证计算流体 力学方法的理论基础。但是往往要求对研究对象进行抽象和简化,才能得出理论解,对 于非线性的情况,只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法结果真实可信,对于 理论分析研究和开发新的数值解法都有帮助。但是实验经常受到条件,场地,模型尺寸 长安大学硕士学位论文 等等因素的制约,甚至于有的问题就无法开展实验,此外实验还要消耗大量的人力,财 力和物力以及周期长等困难。方法就克服了前两者的弱点,进行计算的时候等于在 计算机上做一次物理实验,通过后处理技术再现流体运动的情景‘。 方法与传统的理论分析方法,实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体 系。如下图.所示: 图. 方法与理论分析、实验测量方法的联系 .. 分析问题步骤【 ’ 无论是采用自己编制程序还是使用现有的商用软件,对流体的运动问题进行数 值模拟的时候,通常包括以下几个步骤: 建立反映工程问题或物理问题的数学控制方程。具体说是要建立反映问题各个 变量之间的关系的微分方程或者偏微分方程; 寻求高质量,高效率的算法。即建立针对控制方程的数值算法,例如使用有限 元法,有限差分法,有限体积法等等; 编制程序和进行计算; 后处理显示计算结果。 .. 技术发展情况 ...数值算法的发展 经过流体理论不断发展和完善,在数值计算的求解过程中出现了多种多样的 数值计算方法。这些不同的算法都是针对同一种基本方程控制下的代数方程组进行求 仃 解。分别有:有限差分法 ,;有限元法 啪 ,;有限体积法 ,。这些方法各有优缺点, 有限差分法的离散方法发展较早,求解程序较为成熟,较多应用于求解双曲线 和抛物线型问题;但是用其求解边界条件复杂的流体流动问题,不如有限元法 和有限体积法方便;有限元法较之于有限差分法对问题有较好的适用 性,但其求解速度明显慢于有限体积法,在数值固体力学应用较多;有限体积 第二章技术以及通用软件简介 法求解效率高,对问题的适应性广泛,对方称离散能保持方称守恒的特性,物 理意义明晰;因此在较多的流体运动问题常采用的数值算法就是有限体积法【。 ... 求解程序的发展 过去利用技术来分析和研究问题时,多是由研究者自己根据问题的情况编写 计算程序来解决问题。由于问题的多样性、编写程序语言和数值计算硬件的 不同,每个 用户各自编写的程序往往缺乏通用性。随着计算机技术的进步和发展,加之本身 的规律性和系统性,适宜编写成通用的商业软件。因此,从上世纪年代初开始,随 着第一个商用软件投入到市场上以后,相继出现了,, ,等多个商用软件。在这些商用软件中, 是目前国际上 比较通用的商用软件之一,功能最全面,适用性最广。本课题将借助较为 成熟的通用软件来进行相应的数值模拟计算。 . 切己简介 是由美国公司于年推出的,基于有限体积法原理,使用/语言 进行编译的软件。其模型丰富,能够求解可压缩以及不可压缩流动、粒子蒸发、燃烧过 程、多组分介质、化学反应过程等多个问题。 .. 软件的构成 软件包是基于软件包群的思想,主要由三部分组成: 前处理器:主要功能是来生成几何模型和划分离散网格,由专用前处理器锄 来实现网格生成。锄是一款功能强大的网格生成工具。对于二维问题,可以生成三 角形网格和四边形网格;对于三维问题,可以生成六面体,四面体,金字塔形 以及楔形 网格。除生成结构化网格外,还可针对不同的问题边界生成与之相符的与非结构化网格, 大大提高了边界适应性功能。 求解器:是数值求解的核心。主要是对控制方程进行离散求解。主要有以下几 步构成: ?使用简单函数近似待求的流动变量; ?将该近似关系代入已建立的控制方程中,形成离散的控制方程组; ?求解代数方程组 后处理:主要是用来观察和分析计算结果。自带的后处理功能可以很 方便的显示和输出各种作图。随着计算机图形处理技术的进步和发展,也可以使用其他 长安大学硕士学位论文 专用软件来对求解后的文件进行相应的图形处理。 .. 软件的特点 软件能够被广泛的使用,缘于其有以下几点特色: 不仅支持结构化网格,对于非结构化网格也能够适应;能够读入多种文件类型 的网格划分方案; 数值算法丰富,模拟流动类型齐全。即可针对定常稳态情况进行分析,也可非 定常瞬态情况下的运动进行模拟; 可以使得用户对特定的问题进行自编译函数处理,有利于问题针对性的解决; 对于复杂的大型数值计算问题,可以使用并行运算,提高了数值计算的效率‘。 .有限体积法原理 有限体积法 ,又称为控制容积法 ,。其基本思想是:将原本连续的计算区域划分为网格,并使得网格节点 周围有一个互不重复的控制体积;将待解微分方程对每一个控制体积积分,从而得到一 组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量西。为了求出控制体积的积分,必须假 定矽值在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方案看来,有限体积法属于加权余 量法中的子域法,从未知解的近似方法来看,有限体积法属于采用局部近似的离散方法 【】 值得注意的是网格的划分是整个求解过程的重要一步,既要使得网格划分的数量能 够保证求解计算精度的需要,同时也要考虑计算机资源的耗费情况。因此,网格的生成 过程常常是需要大量的经验和重复性工作来验证。有资料表明,使用对流体 流动 与传热的问题求解的时候,无论是自己编制程序还是使用软件,有超过一半多的 时间是用在网格生成的处理过程中。 .使用分析问题的步骤【 通常来说,使用来分析问题的时候,基本的工作步骤如下图.所示: 第二章技术以及通用软件简介 图. 分析问题步骤 长安大学硕:学位论文 第三章 湍流与固液两相流模型 .湍流数值模拟概述 早在世纪末,英国物理学家雷诺发现粘性流体存在着两种流态,层流和湍流【。 在实际问题和理论研究中,最常见的流动状态为湍流。其特征为:流体运动质点极不规 则,相互混合和掺混,速度等流动特性都随机变化,流动整体呈无序的混乱的状态。现 代观测表明:湍流的本质是带有湍流涡的运动,且这些湍流涡的大小及旋转轴的方向分 布都是随机的。湍流研究一直受到研究者的重视,但是由于湍流问题的复杂性,从人们 发现湍流运动至今仍然在理论上没有很好的解决这个问题。 一般认为,无论湍流运动多么复杂,非稳态下的连续性方程和动量守恒方程又称 为方程对于瞬时运动仍然是适用的;并且随着研究的发展,人们已经可 以通过一些数值方法对湍流进行模拟,并且对湍流建立起来相应的数学模型。总的来说, 关于湍流的数值模拟,有直接数值模拟和非直接数值模拟两大类,分类如下图.所示 【。 图.湍流的数值模拟方法分类 .湍流运动的计算模型 ..直接模拟方法 直接数值模拟 ,简称方法就是直接用瞬时的 昏方程对湍流进行计算。其最大的好处就是不需要做任何简化处理或者数学 近似,理论上得到的结果相对准确‘矧。但是这种方法必须采用很小的时间步长和空间 步长,以分辨最小的湍流涡运动时的空间结构和变化剧烈的时间特性。为了达到这样的 要求,方法对计算机硬件配置极高,现有的计算能力还是比较困难的。目前,只有 少数几个国家具有使用超级计算机的能力来对特殊问题进行研究。短期时间内工程应用第三章湍流与固液两相流模型 不太现实,但是大量的探索性的工作正在进行中‘,?。 ..非直接模拟方法 非直接模拟方法就是不直接计算湍流脉动的特性,而是设法对湍流做某种程度上的 近似和处理。根据取近似和简化处理的方式的不同,非直接模拟方法又分为:大涡模拟, 统计平均法,雷诺时均法。 大涡模拟简介 ,简称即亚网格尺度模拟【。其基本思想 大涡模拟唱 为,用瞬时的卜方程直接模拟湍流运动中大于网格尺度的涡,对于小尺度的 涡以及小涡对大涡的影响,通过建立数学模型来模拟。然而就目前的计算能力而言,即 使是最小的计算网格尺度也会大于最大的涡的尺度。总体而言,大涡模拟对计算机内存 以及的速度要求还是很高,但低于方法。也有学者认为,大涡模拟目前最主 要困难不在于计算机的限制,而在于大涡模拟模型本身还不完善【。 统计平均法 统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论,主要用相关函数以及谱分析的方法来 研究湍流结构,统计理论主要涉及到小尺度涡的运动。这种方法在工程上应用并不广泛, 经常是作为一种对湍流进行数值模拟的方法来研究。 雷诺时均平均法 多数研究者的观点认为,相比较求解湍流运动中全部的细节,重要的是考察湍流运 动所引起的整体平均流场的变化效果【。由此,研究者将湍流运动中随机变量如速度, 啪 密度等的瞬时值在一定时段内进行平均,形成了雷诺时均法” ,简称凡气。雷诺时均法不直接求解瞬时的方程,而是通过 建立各种模型来求解时均化的时均方程;避免了大计算量的问题,是目前广泛 应用于理论研究和工程实际的湍流数值模拟方法【】。 根据,方程假定和处理方式的不同,建立在雷诺时均法上的湍流模型分类如 下图.所示: 长安大学硕士学位论文 图.雷诺时均法分类 ..本课题选用的湍流模型 标准?两方程模型 目前,建立在雷诺时均法涡黏模型基础上的两方程模型应用最为广泛。最根本的 两方程模型为标准,?两方程模型,由等【删在年提出。经过几十年的 检验,被认为是求解简单,结果准确;在理论研究和实践中得到了大量的应用。其中 湍流动能和湍流耗散率的运输方程分别为: ? 昙卅苦砌沪毒睁纠考一胪一% ? 昙胪毒删,毒睁纠考。昙。皖,一%譬《第三章湍流与同液两相流模型 式.,.中:;:堕,?,是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生 项,由式,考善考计算;。是用于浮力影响引起的湍动能产生项;匕代 表可压湍流中脉动扩张的贡献:和爰是根据问题定义的源项;。,。,。是经验常 数,根据吼等有关学者研究,建议取值如下:。.,。.,。.; 湍动能与耗散率的湍流普朗特常数分别为:吒.,吼.; 酬,?模型 标准?两方程模型是各项同性模型,对于近壁流、强旋流、弯曲壁面流动或弯 曲流线流动等问题的处理上存在不足,甚至会产生一定的失真效果。于是,出现了很多 修正的?两方程模型。其中应用的比较多的就是由等四提出的?一 模 型。该模型修正了标准,?两方程模型有关湍动粘度,并考虑了流动中存在的旋转及 旋流流动情况,使得,?模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲较大的流动; 故本文使用州?模型来处理沉淀池内的湍流运动。在?模型中,所得到 的湍流动能和湍流耗散率的运输方程分别为: , 掣掣考卜卦咖 , 掣掣外专卜宰屯譬 其中:‖:以,“:譬,:.;口女和仅。分别是湍动能与耗散率的 有效湍流普朗特数的倒数,取值为。:%:。.。:。一三三掣;。,:。为 经验黻取眠叫舵,。乩九毛七啦孝,岛甄考封 长安大学硕士学位论文 .固液两相流模型 与单相流动相比,两相流动要复杂的多。一方面,在两相运动中,每一个相都有着 自己的流动方程,描述运动的基本变量与单相相比几乎要增加一倍;另一方面,相与相 之间存在着密度、粘度等物理性质的差异。一般说来,不同的流型有着完全不同的流动 规律,在一种流型下得到的流动规律不能随意推广到别的流型,可见两相流动非常复杂 【】 ,.固液两相流模型介绍 传统研究两相流动或者多相流动的方法包括实验和理论方法。实验方法受测试手段 和测试条件的限制。建立在经典流体力学方程基础上理论方法只能适用于一 些很简单的 情况。计算流体力学的进展为深入了解多相流运动提供了基础。目前,针对于固.液两 相流动,使用较多的是欧拉方法和拉格朗日啪方法【倒。基于拉格朗 日方法建立起来的多相流模型称之为离散相模型 ,又称为颗粒轨 道模型。该方法处理固体颗粒相时,可以给出颗粒相运动的详细信息,但它难以完整的 考虑颗粒的各种湍流输运。另外为获得足够详细的颗粒相的运动信息,拉格朗日方法需 要很大的计算机储存量和高的计算速度,几乎是相当于单相湍流运动中的直接数值模拟 方法。 欧拉方法在固一液两相流以及多相流运动的处理中,将每一相都看成是充满整个流 场的连续介质。基于欧拉方法建立的针对固一液两相流的模型包括混合模型模 型和双流体模型。混合模型是一种简化的多相流模型,可用于模拟 各相具有相同或者不同速度的多相流动问题,其中相可以是流体相或者粒子相。其基本 假设是短距离空间尺度上的局部平衡,对相与相之间的耦合要求很高。通过求解混合相 的连续性方程、动量方程、能量方程、第二相的体积分数方程,以及相与相 之间的滑移 速度的代数表示式来实现对问题的研究【】。双流体模型是将固.液中的每一种相都看作 是充满整个流场的连续介质,其中颗粒相是与流体相相互渗透的拟流体。通过建立每一 相的瞬时的,局部的守恒方程以及相间作用的表达式来求解。双流体模型虽然比较完整 和严格,但是在实际应用中却存在着很多困难【。首先,由于双流体模型是对于每一相 都建立相应的守恒方程,求解的时候需要对每一相的方程组进行求解。最一般形式的固 一液两相流方程就很复杂,计算量太大;其次,相问作用表达式的机理还不是很清楚, 多建立在经验式基础上】;再者,对于固体颗粒相,一些物理量很难测定;比如固相的 第三章湍流与同液两相流模型 动量守恒方程中固体粘度和压力项‘捌】。相比之下,混合模型就显得很方便,由于模型 简单,计算量小且结果较为可靠而得到了较多的应用】。本课题选用混合模型骶 模型来处理沉淀池内固液两相耦合运动。 ..混合模型的数学方程【】 连续性方程 .?~ 。 掣却埘珀:,; ?七成 一 . 埘土.上?一 . 成?七 式.~.中:成是混合相密度,;。是混合相质量平均速度;成是第尼相密度, ,是第七相质量平均速度,伉。是第后相体积分数;聊是用户定义的质量源相 的质量传递。 动量方程 混合模型的动量方程通过求解所有相各自的动量方程求和来获得 昙以;。?成;。;。一跏.‰;。;。’‰; . ?.窆吒成‰珏 式.中:是相数,万是体积力,‰是混合粘性,‰:窆。心;;蛳是第二相七 七 的漂移速度,其表达式为: 办,七一’,脚 . 相对速度与代数滑移公式 相对速度,又称为滑流速度,被定义为第二相相对于主相的速度。定义式为: . 印? 漂移速度与相对速度关系有如下代数滑移公式: 长安人学硕上学位论文砒毛一喜警珏 在代数滑移公式中,基本的假设是规定相对速度的代数关系,相之间应在短 的空间尺度 上达到局部平衡。 相对速度的实现形式 . 卯 卯口 式中,口是第二相粒子的加速度,其表达式为: . 三;一珏;。一鲁 式.中,妒是粒子的驰豫时间。其形式为: “? %:垒掣 %萌 其中,砟是第二相颗粒的直径;缸为曳力函数,其表达式为: ‘ . . ? . ? . 加速度口的表达式为: . 三;一;用.;肼一要 第二相的体积分数方程 . 昙。;;如 .离散格式与流场迭代的数值算法 ..离散格式 为了对控制方程进行求解,要采用合适的离散格式将控制方程离散化并建立相应的 代数方程组。常用的离散格式有:中心差分格式,一阶/二阶迎风格式,混合格式,指数 格式,乘方格式。离散格式中的一阶精度常常会导致数值上的扩散误差,而高阶离散格 式可明显降低这种误差。本文运用有限体积法中的控制容积积分法,将微分方程进行离第三章湍流与同液两相流模型 散,对时间项采用全隐式积分方案,对流项和扩散项分别用二阶迎风格式和中心差分格 式进行离散。 ..数值解法 经过离散化处理后形成的代数方程组,主要面临的就是求解的问题。流场计算的基 本过程就是在空间上采用有限体积法,对离散后网格体积单元上的控制方程组 进行求解。常用的数值解法有算法,以及在其基础上改进的刚 算法,算法【。结合本课题使用的算法,这里仅说明,, 算法;见下页图.,.所示。 算法是目前应用比较广泛的一种流场计算方法,在目前软件中应用极 为普遍。其基本思想是:首先使用一个猜测的压力场来求解动量方程并得到速度场;接 着求解由连续方程建立的压力修正方程,得到压力场的修正值;然后用压力修正值更新 速度场和压力场;最后检查结果是否收敛,若不收敛以得到的压力场作为新的猜测的压 力场重复上述过程。算法的核心在于如何获得最接近于真实值的速度场与压力 场。因此,在计算中提供的初始值越接近真实的流场,求解结果越逼近真实解。简单来 说,算法主要是“猜测一“修正。算法是在算法基础 上改进的,基本计算思路与算法一致,不同之处在于算法在通量修 正法上有所改进,加快了计算收敛的速度,缩短了计算的迭代时间。算法的开 发 起初是为了解决非稳态过程中的迭代计算问题,后来在稳态过程的计算中也得到了广泛 的使用;较之于/算法不同的是,算法增加了一个修正步,使得 其在非稳态的计算中收敛性显得很健壮;尤其是当希望使用较大的时间步长情况下,使 用算法更有效率。 当计算问题为稳态情况下时,本课题采用算法进行求解;当为瞬态计算 时,采用算法;为了提高计算效率,对于经过一段时间,运动状态从非稳态达到 稳态情况下的流体运动,可先使用算法进行非稳态的计算,待稳态时再进行 算法计算至收敛。 长安大学硕十学位论文 开始 假定一个速度分布,用于计算首次迭代时的动量离散方程中系数和常数项 甜‘,,‘,妒‘材,,妒 假设一个压力场,即给定压力猜测值? ? 根据当前速度场以及压力场,计算动量离散方程中的系数和常数项 口, 步骤:求解动量离散方程: 口,,甜‘.?口。”‘。尸’,一,.,一’,..,彳,。,。, ‘芝二口曲‘‘。?‘,、。 ? ? 甜, 步骤:根据速度甜,。,求解压力修正方程: 口,?’,.‘,口,.,’,.‘,口卜.,、,一.‘,口,?、,.‘,口,.‘,一’,.., 一、 、 步骤:修正压力与速度: 。 ‘.’. 令 .‘.,七 .、.?’,、 ? ? ,“材 。?’、 .‘. 。 , ,‘,,驴妒 ,,妒 ,甜,,,?’ 步骤:求解所有其他的离散化输运方程视需要进行 口,,.,妒,,.,口,,,咖,,.,口,一,.,妒,一,‘,口,,.,妒,,,口,,.,一驴,,., 一,,‘, 收敛否 否 是 结束 图 ,算法步骤图 第三章湍流与固液两相流模型 开始 假定一个速度分布,用于计算首次迭代时的动量离散方程中系数和常数项 ”‘,’,‘,驴‘材,,,妒 假设一个压力场,即给定压力猜测值口‘ 与算法中前三个步骤一致: 步骤:求解离散动量方程; 步骤:求解压力修正方程; 步骤:修正压力与速度 ? ? ? ,“ ,, ,,“, 令圹玑旷’, “ , 步骤:求解二次压力修正方程: 口,,’,。,,.,口,,.,。,。‘,口,一,.,。,一,.,口,,.,。,..,口,,.,一。,,., 一。, 步骤:修正压力与速度: “’’’’’『?’、 ““‘,,.,“‘,,.,,,.,、,一,,.,一,,,.,,三二竺坐掣 、,‘?’,。,,,‘,,,? 。、’,??‘。、 ,,,,,,,,一。??,、,,.,?』;掣 ,, , 令 令 ”‘,““”’,,“’ ? ? 甜 ,” ,甜,,,咖’ ’, ’,,,?’妒 ,,砂 妒 步骤:求解所有其他的离散化输运方程视需要进行 口,,咖,,口,,.,咖,,,咖.,,,咖小,.,一咖,,一以,, 图. 算法步骤图 长安大学硕士学位论文 ..一般情况下的数值求解策略 数值求解的具体过程中对各种离散格式和数值解法的选择上,没有一个固定 的模 式,重要的是要保证迭代计算的快速收敛,使其在耗费较小的计算资源基础上完成计算; 而这需要相应的理论基础和长期的经验积累。对于简单流动问题,可以参考常用方法进 行。更多的实际问题计算中,需要长期的经验积累和相同规律的总结。因此,本课题在 完成过程中,特别注意总结了~般情况下的求解经验。 ...稳态求解下的一般步骤 首先使用与动量方程中的一阶迎风格式来搭配求解。这样做是利用 算法和一阶迎风格式较快的收敛性。如果求解顺利收敛,那么计算就此结束 或者考虑使用更高阶的求解格式来提高求解精度;如果不收敛,要对残差记录中发散的 欠松弛因子项进行观察和记录;针对残差曲线走势再做计算时,逐渐减小前次计算中未 收敛曲线欠松弛因子的数值。对欠松弛因子的处理,目前尚未见有文献报道具体的方法, 较多为依次减半处理。 如果中无法完成计算收敛,需要重新更改数值算法,使用与一 阶迎风格式组合求解。算法虽然收敛性很快,但是某些流动问题?订不 能求解的,不代表求解不了。余下步骤与中类似。 如果仍然无法完成收敛,考虑更换相应的压力场与速度场耦合的方式; 如果问题依旧不能收敛,则要重新回到建模中去考虑问题:所建立模型是否 合适,网格的粗细程度对求解的影响程度,还有边界条件是否物理上适应等等情况; ...非稳态求解下的一般策略 非稳态下的计算一般是使用算法,初次计算动量方程项离散格式选用一 阶迎风格式,以期加快计算时收敛速度;待计算收敛后,使用更高的离散格式; 非稳态迭代中有关时间步长的计算可依据下式来确定: . ?:竺丛 ‰ 式中:出为时间步长,;缸为流场内网格划分中最小网格长度,;‰可取流场内 所有边界处最大速度,?以。对于由流场内不同边界处速度确定的时间步长,要本着宜 小不宜大的原则,以期在使用较小的时间步长情况下加速收敛; 初期的欠松弛因子可全部调至最大数值,以期计算中加速收敛。如果计算过 第三章湍流与同液两相流模型 程中的残差曲线出现了发散情况,则应考虑在下次计算中降低相应的欠松弛因子的数 值,仍按依次减半处理。长安大学硕士学位论文 第四章平流式二沉池的数值模拟 .平流式二次沉淀池的设计 ..设计标准 根据给排水设计手册以及相关设计规范【籼,主要设计标准如下所示: 池子的长宽比不小于,以为宜;长深比不小于,以~为宜; 沉淀池超高不少于.;缓冲层高度为.加.,当无刮泥机时,取.; 进口处应设置挡板,高出池内水面..。进口处挡板淹没深度视沉淀池 深度而定,不小于.,一般为.~.;出口处挡板淹没深度一般为..;挡 板位置距进水口为.~.;距出水口处为.~.; 贮泥斗斜壁的倾角,采用方斗时不宜小于,圆斗不宜小于;污泥区高 度根据污泥量,池底坡度,贮泥斗几何高度以及是否采用刮泥机而定; 池底纵坡坡度,一般规定不小于.;采用机械刮泥时,不小于.; 污泥区的容积,初沉池按不大于天的污泥量计算;采用机械排泥时,可按照 的污泥量进行计算;二沉池污泥区容积按不小于的污泥量考虑计算; 按表面负荷设计时,应对池内表面流速进行校核,初沉池不大于舢州;二沉 池不大于/; 一般采用静水压力排泥,活性污泥法的二沉池不小于.【;生物膜法的二 沉池不应小于. ;排泥管直径不小于; 其他有关规定可参考相应文献资料。 ..沉淀池几何图形 图.平流式二次沉淀池几何模型简图第四章平流式二沉池的数值模拟 .数值模拟方法有效性的验证 为验证数值模拟方法的有效性,结合实际实验条件,本文采用国外学者锄做 过 的实验作为对比验证实例。锄将一个平流式沉淀池简化成矩形沉淀池,忽略 进水口 处挡板以及泥斗对池内流态的影响,实验中使用激光多普勒测速仪对矩形沉淀池内若干 断面上的水平流速进行测定:在测定流场方面,主要考虑相对于进口边界处池内垂直速 度的分布情况。本文对其实验中的矩形沉淀池进行二维建模,使用标准?两方程模 型进行数值模拟计算,并将模拟结果和锄实验测定值进行对比验证。 “‘ ..简化的矩形沉淀池模型 锄实验中简化后的矩形沉淀池几何模型如下图.所示, 四. :。 . 》 ,. 瑚. 溢流堰 ? 竺竺 . . 图. 沉淀池模型简图 ..网格划分 采用四边形结构化网格对几何模型进行划分,网格大小为.?×.。划分得 到个节点,个网格。网格划分后的图形见下图.所示: 图.简化沉淀池模型的网格划分 ..边界条件 进水口:采用速度入口边界条件,进水口处的速度、湍动能 ,湍动耗散率按如下公式进行计算: 寺;尼??%譬 长安大学硕士学位论文 式中:留??单宽流量,/?; 口??经验系数,本文选取经验值口为.; ??进水口的高度,: 乞??混合长度,;乞一.蚝,其中是平均应变率与旋度的函数,取 经验值为.。 出水口:因本实验是在露天环境下进行的,故出水口为一个大气压。定义其 为自由出流边界。 自由液面边界:根据“刚盖假定”,定义自由液面边界为对称姗边 界;在该边界上,水面没有剪切和滑移速度。 固体壁面:除上述已定义边界外,其余边壁全部定义为固体壁面边界。 对于固体边壁的处理,认为壁面处为无滑移边界,除了动量方程的扩散以外, 其余所有 的通量值都为零。近壁区域采用标准壁面函数法来处理。 ..数值方法和初始条件 由于锄实验是对已经处于流动状态的池内水流进行了速度测定,故数值计算 时 对于流体的运动状态按稳态情况处理;采