移动床生物膜反应器水力特性的数值模拟

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1、移动床生物膜反应器水力特性的数值模拟论文季民1董广瑞2霍金胜1宋亚文1丁卫东3摘要：应用二维N—S方程对移动床生物膜反应器中的流场进行了数值模拟。该方法能够描绘出反应器内各点的水流速度以及涡流函数分布，且模拟结果与试验测定结果吻合得较好。关键词：移动床生物膜反应器水力特性数值模拟NumericalSimulationforHydraulicCharacteristicsinMovingBedBiofilmReactor　　Abstract：NumericalsimulationensionalN-Sequationforthefloovi

2、ngbedbiofilmreactor.Thismethodcandescribetheulationresultingoodcoincidenceovingbedbiofilmreactorhydrauliccharacteristicsnumericalsimulation　　对移动床生物膜反应器(MBBR)采用数值模拟方法研究其在废水处理中的水流特性，将对反应器构造的合理设计以及不同操作条件下的流态分析有所帮助。1反应器的构造与流速测定方法　　反应装置如图1所示。　　反应器的尺寸(长×宽×深)为300mm×100mm×800mm，

3、其有效容积为24L。采用天津大学研制的CLS系列聚丙烯填料，填料内径为10mm，高度为10mm，壁厚为0.9mm，填料内部有十字支撑。在水力特性测定试验中，将反应器立面按有效容积划分为8行6列的均匀网络。采用袖珍式超声波多普勒流量计，通过两个传感器测定在不同工作条件下每种反应器内各个网络中心点处的流速。　　反应器内流速的测定方法是：设定一定的曝气方式、池型和填料比后，打开进气阀，并逐渐增大气压和气量到设定值，使填料在某一供气水平下刚好开始在全池近似或完全转动，此时描绘其转动情况并测定流速。与数值模拟相对应的试验条件是：供气气压为0.45M

4、Pa，气量为0.05m3/h，水量为24L，曝气强度为2.08m3/(m3·h)，填料体积填充比为30%；曝气头置于反应器内左下角。2　数学模型与数值计算方法2.1　N—S方程及其简化2.1.1几点假设　　①假设反应器内为单相液流(不可压缩粘性流体)，忽略气体(曝气)和固体(填料)对流态的影响，同时忽略密度流影响；　　②假设反应器为长方形，忽略反应器厚度对流态的影响，此时可将反应器水力模拟简化为二维平面流；　　③由于反应器顶部总是有部分填料聚集，影响了废水及填料的旋转运动，因而可将顶部边界简化为固壁处理；　　④曝气头位于反应器左下方，假

5、设曝气的气压和气量在满足向反应器内生物供氧的同时，还能满足反应器废水及填料旋转所需的最小驱动力。　　由此可将该问题的求解简化为二维平面不可压缩粘性流体的流态模拟。2.1.2　二维平面不可压缩粘性流体的N—S方程　　对于二维不可压缩粘性流体，常用N—S方程的涡流函数法求解，其无量纲形式为：　　　　　　x——水平方向比例坐标〔0，1〕　　y——垂直方向比例坐标〔0，1〕　　u——水平方向速度，m/s　　v——垂直方向速度，m/s　Re——雷诺数　　式(1)为涡传输方程，式(2)为流函数Ψ的Poisson方程，两式组成了ζ—Ψ

6、的封闭而耦合的方程组，其优点在于比初始变量方程组少了一个未知数和一个方程，从而减少了内存要求；另一方面方程的阶数没有增加(最高仍为二阶)，而涡量ζ所满足的方程为典型的对流扩散方程，流函数方程为经典的Poisson方程，因此求解比较容易。2.2　数值模拟方法2.2.1涡流函数法方程的有限差分格式　　N—S方程的差分格式是：将反应器水平(x)方向划分为60格，竖直(y)方向划分为160格，每格是边长为0.005mm的正方形，即nx=60,ny=160,Δx=Δy=0.005mm。　　数值网络的划分如图2所示。　　涡传输方式：〔Lh(Ψij

7、)-（2h／Re）〕ζij=0　　流函数方程：h2Ψij-ζij=0　　其中Lh(Ψij)=uijΔx0+vijΔy0，2h=Δxx+Δyy　　对涡传输方程作中心差分，其迭代格式为：　　　　　　　其中γ1、γ2分别为内点和边界点涡量迭代的收敛逼近因子，对于内点：　　　　　　　对流函数方程作中心差分，其迭代格式为：　　　　　　　其中β=Δx／Δy，ω为松弛因子，其值域为(0，2)。　　对于水平方向速率为u和垂直方向速率为v的差分迭代格式为：　　　　　2.2.2　边界处理及壁涡公式　　由假设③可得，反应器4个边界均按固壁处理，但

8、左边侧的拟合速率始终为常数，从而可得二阶精度的壁涡迭代公式：　　　　　　对于水平方向有Δn=Δx；对于垂直方向有Δn=Δy。移动床生物膜反应器水力特性的数值模拟:2.2.3　初始条件的处理