多孔介质模型的纤维球过滤器数值模拟.pdf

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1、第39卷第3期化工机械343多孑L介质模型的纤维球过滤器数值模拟赵军’朱庆强范德顺(北京化工大学机电工程学院)擒要用多孔介质模型对纤维球过滤器内不同截泥量下的液相流场进行数值模拟，得到在过滤过程中截泥量一过滤速度一压降之间的关系，在反洗过程中截泥释放量一反洗速度一压降之间的关系。结秉表明：在过滤过程中压降随着截泥量的增加呈现近似线性增加，压降随着过滤速度的增加呈现近似指数增加的趋势。关奠词纤维球过滤器多孔介质藏泥量压降中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254-6094(2012)03-0343-04比较不同过滤器性能优劣主要是看平均滤速、过滤压降、截泥量、过滤效率以及运行耗损等

2、方面，其中主要指标是截泥量和过滤压降，而截泥量与过滤时间有关，但过滤时间取决于过滤压降和出水水质。因此准确地预测压降对过滤器过滤性能的提高具有重要意义，但这些研究借助试验来完成费时费力。而随着计算机技术和流体仿真技术的不断发展以及CFD技术的逐渐成熟，将其用于过滤器内流场的研究已有了可能。笔者利用成熟的流体分析软件--fluent作为数值计算工具来模拟纤维球过滤器在过滤过程中不同过滤速度、不同截泥量，在反洗过程中不同反洗速度、不同截泥释放量下过滤器内流场的情况。纤维球过滤器内的纤维球滤床是一种多孔介质，而且这些纤维球是一种随机的无规律排列。笔者应用多孔介质模型来研究过滤速度一滤床积泥量一过

3、滤压降、反洗速度一截泥释放量一反洗压降之间的关系，从而有助于纤维球过滤器过滤效率的提高及过滤性能的发挥。同时探索一种研究纤维球过滤器内流场的新方法，也为深层过滤理论和工程应用提供一定的借鉴作用。1CFD模型1．1多孔介质多孔介质是由固体组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。多孔介质内的流体以渗流方式运动，多孔介质的主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内微小空隙可能是相互连通的，也可能是部分连通和部分不连通的。纤维球过滤器的滤床空隙率在90％以上，其比表面积巨大，流体通过滤床时的速度小，大都在层流阶段。而且纤维球在滤床中形成一个整体，具有多孔介质的

4、属性，因此采用多孔介质模型对纤维球过滤器的过滤及反洗过程的流场进行数值模拟是合理可行的。根据过滤理论，多孔介质模型采用经验公式来定义多孔介质的流动阻力。从本质上说，多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个能代表多孔介质对流体的阻力相：，3，、只一{，暑D奶+磊cF争‘vl吩∽％y,z)(1)式中D——粘性阻力系数矩阵；C——惯性损失系数矩阵；弘——流体的粘性系数；p——流体的密度；仉——流场某点沿某方向的速度。这个负的动量源项导致多孔介质单元中的压力降。对于简单的均匀多孔介质，分别在系数矩l阵D和c中对角线项代人二和c2，而其他项为·赵军，男，1985年7月生，硕士研究生。北京市，10002

5、9。化工机械2012芷零，则有：s；；一(争，+c2扣⋯虬)’(f弘y，=)(2)式中口——多孔介质的渗透率；C厂惯性阻力系数；弘——流体的粘性系数；p——流体的密度；"Hi——流场某点沿某方向的速度。在计算多孔介质模型时，有两个参数需要在计算前设定，即粘性阻力系数五(即上)和惯性阻力系数C：。对于纤维球过滤器，由于流体通过纤维球床内的Re数范围内阻力系数可以采用半经验的Ergun公式计算⋯：㈦=晋学．+皆学：㈥式中肛——流体粘性系数；D-一平均颗粒直径；L——床层厚度；占——纤维球过滤器的孔隙率；P——流体的密度；v，流场某点沿某方向的速度。对于纤维球过滤器绝大部分都是工作在层流条件下，

6、因此由式(1)一(3)可知：粘性阻力项轴寄孚(4)惯性阻力项c2=学掣(5)笔者对粘性阻力和惯性阻力的计算采用体积等效法。当滤层截泥量为m髭，有机污泥密度为P坭，截泥前的空隙率为占膏。则滤床中固相质量：M同=m泥+rn薄=m泥+VttaxPmtt制t截留污泥的体积：‰=等纤维球所占的体积：％堆球=y滤床×昌前滤床截泥后的孔隙率：占。；!j墅生_==_：孕苎丛x100％畅。——瓦-x等效体积：k呢+k堆肆=垦专著}坠×詈霄，辱敷3等效直径：D=2rw垃将D和口现带入式(3)、(4)可得K和C：。1．2纤维球过滤器模型简介过滤阶段的模型选择直径120mm，高度2400mm，滤床高度800ram

7、，装填密度1194kg／m3，滤床初始孔隙率为92．9％，单个纤维球质量为0．39。过滤阶段的速度分别为20、30、40、50、60、70m／h，过滤过程中待处理的液体上进下出。反洗阶段的模型选择直径为120mm，高度2400mm，滤床高度1600ram。反洗阶段速度为14．4、28．8、43．2、57．6、72。0、86．4m／h，反洗时反洗液下进上出。1．3截泥量和孔隙率之间的关系模拟过滤过程中滤床截泥量分别为0、1