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1、摘摘 要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
2、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- 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- 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Abstract1目目 录录11 绪绪 论论1.1 研究背景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
3、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
4、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。21.2 低雷诺数流动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
5、、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：i m iuStx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
6、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：()()()ii ijijii jjjjuupuuuugftxxxx 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：()()()divudivgradSt 其中代表待解变量， 代表扩散系数，S 代表源项。在通用的公式中，3从左
7、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：2upf 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格地等于零。实
8、验证明，对于单个微粒在无界流体中的定常运动，Stokes 流动理论的结果在 Re所示：在中心管上有水流喷出，出现壅高。水流喷出后，向四周流出，距中心管约两倍中心管半径处，水面剧烈变化，并再次出现壅高，这与试验观察到的结果是一致的。反应器的四周，水面变化平缓。由于中心管外的流速较小，环流对动水压强分布的影响不是很明显，动水压强分布近似符合静水压强分布，如所示。在中可以看出，反应器中的高流速区主要集中在中心管。水流流出中心管后，向四周分散，流速迅速下降，绝大部分区域的流速降低到0.1m/s 以下。如，湍动较强的区域与流速较大的区域较一致，主要是中心管和自由液面附近区域。在中心管的底部，可以明显的看
9、出，湍动能产生与扩散的过程。在中心管底端，由潜水泵提供的射流带动水流向上流动。一是，由于中心管中心附近的流速梯度较大，湍动能产生较多，其次，在较高流速下，由于壁面的约束，壁面附近的湍动能的产生较多。55所示，为曲面上的流速为 6cm/s 的等流速面。（2）流速分布迹线是反映流体质点运动的轨迹的曲线。在流体流动的稳态计算中，迹线和流线重合，因此，迹线图也可以流体流动方向的信息。本文选用中心管顶端的切面为绘制迹线图的起点，每条迹线长 2m，按流速的大小为迹线着色。在两种试验条件下模拟计算绘制出的迹线图如图 4。从图4 中的两幅图中可以看出，在反应器的上部，从中心管喷出的水流带动周围的水运动，形成小
10、环流。部分水流继续向下流动，参与大环流中去。在小环流中的水体，由于较长时间停留在的反应器的顶部，不利水处理。在反应器的底部，由于水流向中心管方向流动，在底部的四周，会形成较大的死水区。然而，在反应器中布置填料后，水流的流动得到了明显的改善，环流流动变得更加的规整，小环流减少，死水区也减少了。在中心管上每 10cm 选一个切面以及初始液面处绘制三向流速云图。在流速比较中，初始液面处的三向流速分布较为一致。水平方向上的流速主要在初始液面上较大，而在其他平面上，z 方向（竖直向上为正）对比较为明显。在反应器上部，向四周分散的水流，由于壁面的阻挡改变流向，沿着壁面向下流动。因而，在反应器的壁面附近会存
11、在较大流速的水流，水流在向下流动的过程中因为粘性的作用带动内侧流速较小的水流加速，流速分布趋于平缓，如图5 中 3 z 方向流速所示，由上到下的个切面的流速分布的对比中可以看下。当在反应器去中布置填料后，填料总是对流过的水流起到阻碍作用，沿壁面流动的水流带动附近水流作用并不明显，流速减小的较小，因此，更多的流量从填料与壁面的空隙（无填料区域） 。4.5.4 布置填料水力要素分布布置填料水力要素分布564.6 本章小结本章小结本章在详尽介绍了湍流模型及其数值模拟方法、求解方法、离散方程的数值计算方法等数值计算的基本理论的基础上，选取第二章试验中的一个工况作为数学模型，从控制方程组SN 方程和连续
12、性方程出发，得到描述水流流经刚性植被的数学模型不可压缩流体的雷诺时均方程。进而采用涡粘模型中的标准k模型建立三维计算模型，采用有限体积法对控制方程进行离散，压力差值格式采用体积力加权格式，空间离散采用一阶迎风格式，速度压力耦合采用 PISO 算法，近壁区的流动采用壁面函数法处理，自由液面按照气-液两相流处理，对流经刚性植被的河道水流进行了数值模拟。计算得到了不同断面的流速矢量、流速云图、流速等值线等的分布，分析得到有填料的一体化环流反应器流场分布规律，并且得到流速分布情况，将其与试验数据进行对比，发现吻合较好，从而验证了计算模型的准确性，分析得出断面流速分布规律。5758参考文献参考文献59致
13、致 谢谢能完成本论文要首先感谢导师赵振兴教授，正是有您对于我的帮助和指导，我才能顺利地完成我论文的写作及学业上的进步及突破。相处三年的时间来，赵老师丰富的知识和经验，严谨的治学态度，对教书育人工作的奉献精神，使我深受影响和感动，您不单单从学业上启发我，帮助我，指导我，而且最让我体会深刻的还有您从各个方面关心我们，如父如友。 “十年树木百年人，老师恩情比海深，一日为师终身父，毕生难忘是师恩。 ”并不是简单能用言语所能表达出来的对您的感恩之情，在这谨向敬爱的导师和越活越年轻的师母致以崇高的敬意和真挚的感谢！特别感谢李煜老师和郑小英博士在本论文完成过程中给予的指导和帮助！特别感谢水力学实验室董老师在本论文完成过程中给予的指导和帮助！感谢师兄、师姐在论文过程中对本人的指导与启迪，和生活上的关心和照顾。感谢同门于知义同学在平时生活学习中的支持。感谢师弟在论文完成过程中的支持与关心。感谢好友们陪我度过美好的大学生活。感谢我深爱的家人，那伟大而无私的父母是我不断求知与奋进的动力和源泉！感谢哥哥姐姐给予的默默的关心与支持！再次衷心感谢所有关爱我、支持我和帮助我的同学、朋友、亲人!
