微压内循环反应器的CFD 模拟与试验研究

任庆凯，李成彬，刘江川，万立国，边德军＊

（1.长春工程学院水利与环境工程学院；2.吉林省城市污水处理重点实验室；3.吉林省水工程安全及灾害防治工程实验室，长春130012；4.长春水务集团城市排水有限责任公司；5.东北师范大学城市与环境科学学院，长春130021）

0 引言

微压内循环反应器是近年来开发的基于活性污泥法的一种新型污水生物处理反应器。内部流体的垂向循环流动促进反应器内形成了一定程度的好氧、缺氧、厌氧区域分区，实现了多种功能菌群在同一反应器内全程反应，具有良好的同步去除有机物和脱氮除磷的效果［1］。针对该反应器的研究主要集中在处理效能、运行控制、曝气量—液位对内部流速的影响、生物处理理论等方面［1－3］。本文通过CFD模拟和试验，研究了该反应器内气液两相流动，旨在验证建立的该反应器CFD模型，并从流体动力学角度初步分析该反应器垂向循环流动特征，为该反应器的结构优化研究提供理论依据和一种新的研究方法。

计算流体动力学（CFD）软件用于流体力学的各类问题的数值实验、计算机模拟和分析研究。粒子图像测速（PIV）技术用于瞬态、多点、无接触式的流体力学测速，可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，并具有较高的测量精度。目前，多采用PIV技术进行CFD模拟计算结果的验证、模型的检验与优化。张冰、任南琪等［4］利用CFD模拟进行了生物制氢反应器的流场研究；肖浩飞、周美华［5］进行了传统曝气池内的气液两相流模拟；范茏、施汉昌等［6］更开展了氧化沟、生物流化床、膜技术与厌氧反应器等多种污水处理反应器的CFD模拟与工程实践研究；万甜、程文等［7］利用粒子图像测速研究曝气池中气液两相流；万立国、刘自放等［8－9］开展了利用普通高清数码摄像机进行示踪粒子影像测速的研究。目前，这两项技术已广泛应用于污水处理反应器内部流体流动特性的研究。

1 研究内容与方法

为便于流速实测试验，本文以空气—水为研究对象开展以下研究：（1）对反应器进行气液两相流的CFD二维模拟计算，液相介质是水，气相是穿孔曝气管逸出的微小气泡，获得液相速度矢量图；（2）采用高清数码摄像机示踪粒子影像测速法［9］实测反应器内循环流速，检验建立的CFD模拟气液两相流模型；（3）通过流速分布规律研究，分析反应器内部垂向循环流动特性。

2 计算流体动力学（CFD）模拟

2.1 数学模型

微压内循环反应器内的流体流动较为复杂，属于多相湍流流动。混合模型的基本方程如下：

式中：ρm为混合密度为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度；n为相数为质量平均速度

动量方程通过对所有相各自的动量方程求和来获得，可以表示为

相对速度被定义为第二相（p）的速度相对于主相（q）的速度

漂移速度和相对速度的关系可通过式（1）表示

第二相的体积分数方程，从第二相p的连续方程，可以得到第二相p的体积分数方程为

2.2 模型的建立及网格划分

本研究的CFD模拟二维模型以反应器处理效能研究及本研究流速实测试验使用的有机玻璃反应器的结构形式及尺寸为物理模型建立。容器长0.82m，高0.6m，顶部局部加高0.6m，与大气相通；穿孔曝气管直径14mm，开孔直径1.2mm，开孔数量41个，曝气管中心距底边及侧边各28mm；整个区域采用四边形非均匀结构化网格，共生成节点25 457个，网格单元25 010个。反应器的几何模型及计算模型网格划分如图1所示。

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图1 反应器的几何模型（mm）及计算模型网格图

2.3 边界条件

模型中主要涉及到进口边界、出口边界和固壁边界3类边界条件。

速度进口（Velocity Inlet）：通过湍动能κ和紊流耗散率ε进行计算。湍流强度I为

式中ReD为按水力直径D计算得到的雷诺数。

湍动能κ为

式中¯u为紊流的平均强度。

式中：Cμ为0.09；l＝0.07L为紊流长度尺度，对充分发展的紊流，取L＝D。

压力出口（Pressure Outlet）：出口设为湍动充分发展的自由压力出口，出口压力为外界大气压。固壁边界条件：壁面采用无滑移边界条件，在壁面附近采用标准壁面函数法处理。

2.4 工况条件

采用与反应器处理效能研究相同的运行工况条件，静止液位h＝0.76m，曝气量q＝0.15m3／h，空气过孔流速2.51m／s。根据前期预试验测定结果，曝气启动后反应器内流体流动达到稳定时间为70s，本研究采用曝气启动后t＝140s为CFD模拟与试验的对比瞬时时刻。

3 循环流速实测试验

实测试验以空气—水为研究对象，使用与CFD模拟的物理模型结构形式及尺寸相同的反应器、曝气装置及相同的工况条件，采用高清数码摄像机示踪粒子影像法对反应器内全流场进行了实测试验。

4 结果及讨论

4.1 CFD模拟与实测试验对比

CFD模拟与流速实测试验考察的瞬时时刻点均为曝气开始后140s。CFD模拟的流场速度矢量图、流速等值图如图2、图3所示。考虑到本反应器顶部近壁面及曝气气泡上升区、反应器局部抬高区气体释放及液相回流区，气液交换剧烈，难以获得准确的流速实测结果，本文对比研究以反应器左下角点为坐标原点（x＝0.0m，y＝0.0m），选取反应器水平方向x＝0.20m至x＝0.60m范围内，竖直面上y＝0.42m、y＝0.36m、y＝0.30m、y＝0.24m、y＝0.18m的不同水平高度上流速进行对比，其结果如图4所示，反应器y＝0.42m、y＝0.24m、y＝0.18m处CFD模拟与实测流速试验结果总体误差＜±20%，个别点流速误差较大，y＝0.36m、y＝0.30m处总体流速误差＜±10%，并且大部分点流速误差＜±5%。通过对比检验，验证了建立的CFD模拟模型是可靠、合理的，可应用于微压内循环反应器流动特性的分析与研究。

图2 流场的速度矢量图

4.2 CFD模拟及试验的反应器循环流动特性分析

CFD模拟反应区速度分布如图2、图3所示，在反应器顶部涡流区及右侧气泡上升区流速最高，为v＝0.8m／s；周边外围高速流动区域流速v＞0.4m／s；中间较低速流动区域，流速0.2m／s＜v＜0.4m／s；中心区域流速＜0.2m／s，环流中心点流速趋近于0m／s，形成较为明显的分区；反应器底部水平流速均＞0.3m／s，垂向循环流动促进底部的水平流速提高，反应器内死区空间体积明显减小，从而提高了该反应器的容积利用率。其结果与边德军、万立国等［2－3］人的实验研究反应器内流速分布具有相同的规律。

图3 流场的速度等值线图

图4 反应器液体速度与模拟值与实验值比较图

图5 CFD模拟流速分布图

反应器内流场的形成过程及稳定流动特征呈现了明显的偏心进气式特征，曝气产生的气泡流在上升过程中，前端气速较低，气泡流顶部出现汇集，并具有横向扩散运动的特点。气泡在边壁和中心区液相的约束影响下，外围形成较高流速的垂向循环流动，在中心区形成较大的涡流结构，挤压气泡流由直线上升转变为向边壁侧倾斜并逐渐贴近边壁。气泡流上升至反应器右侧壁与顶板形成的转角处，出现水流的冲击与反射，并使水流转向，在转角处形成涡旋；气泡流经水平运动到达液面处，气泡破碎，大部分逸出液面，另一部分变成更小的气泡回流到液相中，可在一定程度上提高氧的利用率。反应器内流体稳定流动时，形成明显气体入口处紊流区、升流区、顶部水平运动减速区、气体出口处的紊流区及出口处的液相回流区、降流区、底部水平运动加速区、中间低速环流区等流速分布规律不同的区域。

在实测观察中，由于气泡在液面逸出时的不连续性，使回流液的运动出现了有规律的脉动现象，对整个流场各区域的流动产生不同程度的脉动影响，但整个流场和分区循环流动状态依然保持。该脉动冲击将在一定程度上有利于反应器各区域之间的物质传质。

5 结论

（1）针对微压内循环反应器的垂向循环流动，采用Euler法气液双流体模型、二维拟均相的K－ε双方程模型和气液两相流体动力学理论，考虑了气液两相流之间动量传递的曳力、附加质量力，建立了反应器气液流动的数学模型；采用CFD软件对模型进行求解，得到气液两相流的速度场，研究了反应器内流体流动。结果显示微压内循环反应器流型比较规整；可在内部形成稳定的外围流速高、中间流速低的界限比较明显的椭圆形循环流动分区；底部水平流速提高，反应器内死区空间体积明显减小。

（2）通过实测对比分析，各水平位置流速的CFD模拟计算结果与实验结果误差小于±20%，中间区域总体流速误差＜±10%，并且大部分点流速误差＜±5%，验证了建立的CFD气液两相流混合模型是可靠、合理的。

（3）建立的该反应器CFD模型及数值模拟方法，为进一步研究反应器不同曝气强度对循环流动的影响、溶解氧分布与传质，反应器的长高比、曝气管的位置、加设导流板等结构优化提供一种新的研究手段。

［1］田曦，万立国，边德军.多菌群污水处理方法处理城市污水的理论研究［J］.环境科学与技术，2010，33（6E）：374－375.

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［4］张冰，任南琪，周雪飞.生物制氢反应器流场的数值模拟［J］.太阳能学报，2008，29（12）：1558－1562.

［5］肖浩飞，周美华.曝气池内气液两相流CFD模拟［J］.安徽农业科学，2010，38（4）：1955－1957.

［6］范茏，施汉昌，徐农，等.污水处理反应器的计算流体力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

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