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摘 要
一体化环流生物膜反应器由于结果简单、混合效果好、功能齐全等优点,现在广泛应用与生物化工、化学工程、能源、环境保护等领域。本文在直径600mm,高为700mm的试验装置中,以水力推动作为动力,研究了布置弹性填料的环流反应器流体流动特性目前对反应器内的流体流动影响因素,并利用流体力学计算软件采用有限体积法对其进行了三维数值模拟。
试验通过ADV测量一体化环流生物膜反应器某切面壁面附近的流场分布,研究布置填料后填料对反应器流体流动特性影响。试验研究主要为数值模拟研究提供对照依据。
针对反应器的特性,研究了弹性填料的多孔介质特性,水力推动环流和气提环流的作用类比等,对计算流体力学软件提供的两方程模型进行比较分析,研究两方程紊流模型的适用范围,并选择标准k-ω模型作为研究环流反应器流动的主要模型。
数值模拟结果表明用k-ε紊流模型来研究孔板消能的水力特性是可行的,可以与物理模型并用,更为深入研究内部机理和消能特点,为孔板泄洪洞的应用提供可靠的参考依据。
关键词:一体化环流生物膜反应器,紊流模型,水力特性,填料,多孔介质,多相流
Abstract
目 录
1绪 论
1.1 研究背景
生活污水需要经过处理达标之后才可以排入自然水体中去。而现实生活中有一大类分散的污水没有经过处理直接排放都自然水体中给自然环境带来很大的压力。一体化气提式环流生物膜反应器是一种针对集镇分散面源污染源处理工艺的核心设备,是结合AnO工艺脱氮和环流反应器的优点而开发出来的新型反应器。该反应器一般具有结构简单、无机械传动部件、易密封、相际接触面积大、传质和传热效率高、操作简单、容易实现工业放大等优点,对该类反应器进行深入研究,可以对反应器的操作进行优化,并开发更为高效的反应器形式,对于解决日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。
文献中报道了大量气升式环流反应器的研究工作,此类反应器已经在很多工业过程中得到成功应用。但是由于多相流反应器的行为受体系物性参数和反应器结构的综合影响,同时具有明显的放大效应,因此尽管气升式环流反应器具有优良的性能和广阔的应用前景,在水处理工业化推广应用方面尤其在反应器的结构设计、装置放大、优化操作以及性能预测方面尚缺乏足够的理论指导。这些问题的根本原因在于对反应器流动、传递和混合过程缺乏全面和深入的了解,因此要进一步推动气升式环流反应器的工业化应用,必须对一体化气提反应器的流体流动特性有比较全面的了解。
生物膜反应器的流体流动将会涉及一些几个方面的问题:
(1)反应器中存在层流和紊流,对含过渡流区域的模拟较为复杂;
(2)在反应器中布置填料后,对反应器的内的流动也会产生影响;
(3)向反应器中通入空气,一方面是为反应器提供氧气,同时也是环流非动力;
(4)气液固三相流问题。
1.2 低雷诺数流动
低雷诺数流动是一种较为常见的流动。在化工、环境工程、采矿、物理化学、生物力学、地球物理和气象学中,常常需要讨论微小粒子、液滴或气泡在粘性流体中的缓慢运动。严宗毅[1]将流体的惯性力与粘性力相比可以忽略不计或只占次要地位流动叫做低雷诺数流动。在数值模拟计算中,也常常把湍流不充分的流动也叫低雷诺数(湍流)流动[2]。本节简要介绍低雷诺数层流流动的特点及一般解法。
1.2.1 流体运动方程
物体的运动一般遵循三个最基本的守恒定律,即:质量守恒、动量守恒和能量守恒。在流体力学中具体体现为连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
连续性方程又称质量守恒方程,它的守恒的微分形式表达为:
该方程是质量守恒方程的一般形式,适用于可压流动和不可压流动。源项Sm是加入到连续相的质量(例如液滴的蒸发等),源项也可以是其它自定义源项。
动量方程在惯性坐标系中i方向上的动量守恒方程如下:
其中p是动水压强,gi分别为i方程上的重力体积力和外部体积力(如外加电场力等)。Fi包含了其它的模型相关源项,如多孔介质和自定义源项。
本论文研究部分不包括能量方程的求解,以上方程符号的具体意义请参阅等相关流体力学书籍。
对于上面的方程,可以给出一个统一的表达式如下:
其中代表待解变量,Γ代表扩散系数,S代表源项。在通用的公式中,从左到右的四项分别是时间项、对流项、扩散项和源项。
1.2.2 Stokes流动
如果在所讨论的流体中温度变化不大,因而可以认为流体的粘度为常数,则在连续介质假设下,流体的运动服从Navier-Stokes方程。
为了估计惯性与粘性作用的相对重要性,引入问题的特征时间t*,特征长度L和特征速度U,我们可以简化N-S方程为:
此式称为Stokes方程,满足连续方程和Stokes方程的流体流动称为Stokes流动。Stokes方程只有在Re趋近于零的极限情况下才成立,因而,只有在U=0或L=0时才有Re=0,所以任何真实流动的雷诺数都不会严
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