微污染水强化混凝处理的CFD模拟及实验研究

作     者：代飞 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨利伟;葛万斌

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：强化混凝 管式微絮凝反应器 CFD 湍动能 农村微污染水 

摘      要：水是居民生产生活和国民经济发展的基本要素之一,然而由于水文地质条件的限制,在我国广大西部农村地区居民生活饮用水水资源匮乏,而且随着我国经济的快速发展,农村地区生态环境受到显著影响,饮用水水源受到不同程度的污染,农村居民饮用水存在安全问题。强化混凝处理技术可有效处理微污染水,通过在混凝过程采取不同强化措施改善混凝剂混合反应条件,提高常规混凝工艺水中天然有机物去除效果。本文以强化混凝装置为研究对象,利用CFD对强化混凝装置中的管式微絮凝反应器建立数学模型以及数值模拟计算,通过强化混凝实验验证数值模拟计算的分析结果,结合理论分析、实验研究和计算流体动力学提出强化混凝装置的最优方案。本文主要研究内容及成果包括:(1)利用Gambit软件对强化混凝装置中的管式微絮凝反应器建立数学模型,并划分网格,根据数值模拟计算及后处理结果,得到反应器内水流的速度分布、湍动能分布,最终确定反应器内应按非均匀结构化对网格进行划分,其网格划分参数为:反应器管壁内第一个节点距壁面5×10m,管径方向上划分120个节点,轴向节点网格最大长宽比控制在5以内,能够兼顾数值模拟计算的效率性与计算结果的准确性,并且数值模拟计算时采用增强壁面函数。(2)通过改变管式微絮凝反应器的外形以及运行参数,对反应器内流场进行数值模拟计算。根据速度分布、速度矢量及湍动能分布的模拟结果:反应器的不同类型显著影响其内流场水流流态,其中波纹圆管型微絮凝反应器最佳;波纹圆管型微絮凝反应器内最大水流流速是其反应器入口水流流速的1.5倍,最大湍动能为0.1m/s且湍动作用范围在反应器内占4/5管径,水流流线在反应器内呈规律性弯转,在不同水流流速下反应器内水流水力特性保持稳定。波纹圆管型微絮凝反应器在不同水流流速下均能增强水中胶体颗粒的絮凝作用,提升强化混凝工艺的出水效果。(3)对数值模拟计算进行正交实验设计,影响因素分别为反应器类型、反应器入口流速、反应器长度,以反应器内流场最大湍动能作为研究目标,得出正交实验极差分别为369.34、309.67、110.34,表明管式微絮凝反应器内水流流场影响显著程度为:反应器类型反应器入口流速反应器长度。(4)利用烧杯搅拌试验,在原水浊度为78.21.2NTU、COD为10.53.4mg/L的条件下,确定强化混凝实验中PAC和PAM联合投加时,PAC和PAM最佳投药量分别为60mg/L和0.8mg/L。(5)通过强化混凝实验,确定管式微絮凝反应器的最佳反应器类型为波纹圆管型,与Fluent数值模拟计算分析结果中波纹圆管型反应器最有利于水流中胶体颗粒进行混凝反应的分析一致;确定波纹圆管型微絮凝反应器的最佳运行参数为反应器入口流速0.8m/s;确定波纹圆管型微絮凝反应器的最佳长度为20m。(6)对强化混凝实验进行正交实验设计,确定影响出水的浊度和COD的去除率的主次因素顺序为:反应器类型反应器入口流速反应器长度,与Fluent正交模拟计算中对最大湍动能的影响次序相同;确定强化混凝装置中20m波纹管型微絮凝反应器是最佳的管式微絮凝反应器,且反应器最佳运行参数为0.8m/s入口流速,系统处理微污染水能够取得良好的出水效果,出水浊度在1.8NTU左右,COD在1.3mg/L左右。