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包头水处理设备过程都会用到哪些仿真?

发布日期:2018-11-29 作者:客服 点击:

  包头水处理设备就是通过物理、化学、生物等手段,去除水中一些对生产、生活不需要的有害物质的水质调理过程。利用实验手段来进行包头水处理设备研究的花费较大,随着现代CAE仿真技术的日趋成熟,企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合,形成互补,从而提升研发设计能力,有效指导包头水处理设备的相关研发设计,节省成本,缩短设计周期,从而大幅度提高企业的市场竞争力。


  紫外消毒


  紫外消毒优化设计方法有试验模拟与数值模拟两种。试验模拟通过对真实消毒系统进行分析、验证和优化,需要大量的装置加工和生物验证工作。数值模拟采用计算流体力学CFD作为研究工具,借助高性能计算机,利用CFD软件,模拟紫外杀菌并实现结构和操作参数的优化。紫外消毒数值模拟的关键因素有以下两个方面:


  光强的模拟


  在紫外消毒反应器的设计上,得到紫外光强在反应器内的分布,反应器内介质的吸收,套管及灯光的反射、折射等细节都是非常重要的。光强的分布直接影响到紫外反应器的计量分布及灭菌效果。利用CFD的可视化优势,结合数值模拟,直观地得到反应器内光强分布,为反应器的设计优化提供了边界条件。


  ANSYS FLUENT的辐射模型非常丰富,其中的DO(Discrete Ordinate)模型可以充分的模拟紫外线光强,该模型可以模拟吸收、反射、多频段波以及对称、周期边界。

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  当量剂量计算


  紫外线消毒设备的消毒效果与紫外线剂量(UV dose)的大小直接相关。当量剂量(Reduction Equivalent Dose,RED)能很好地评价反应器的消毒效果,它是指反应器中所有微生物随水流运动,经过消毒区域后按相同存活率折算的紫外剂量之和。当量剂量不仅与光强分布有关,还与微生物在反应器中停留时间等参数有关。


  ANSYS FLUENT对紫外反应器当量剂量的模拟主要采取拉格朗日方法,对应的CFD模型为离散型模型(Discrete Phase Model,DMP)。在该模型中,微生物被看作离散相,水作为连续相,在拉格朗日框架下通过求解N-S方程得到每个投加粒子的运动情况,追踪粒子的运动轨迹。


  活性污泥法


  活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法,该法是在人工充氧的条件下,对污水中的各种微生物群体进行连续混合培养,形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用,以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离,大部分污泥再回流到曝气池,多余部分则排出活性污泥系统。活性污泥法的CFD模拟关键主要有以下两个方面:


  曝气的模拟分析


  曝气是指将空气中的氧强制向液体中转移的过程,其目的是获得足够的溶解氧。此外,曝气还有防止池内悬浮体下沉,加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的,从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下,对污水中有机物的氧化分解作用。


  曝气池中的溶解氧可以用ANSYS FLUENT的欧拉多相流模型、组分输送模型来模拟。通过求解动量守恒方程、质量守恒方程、液相和气相中的组分输运方程可以得到水中的氧含量。


  生物反应的模拟分析


  ANSYS FLUENT中的活性污泥模型(ASM)可以模拟污染去除情况,污染物组分浓度可以通过组分输运方程计算得到,该方程包含生物反应源项,该源项与ASM模型中生物反应动力学参数有关,是基于微生物的生长和衰减过程,通过动力学和化学计量学参数与营养物质浓度联系起来。因此,在CFD模型中结合组分输运方程可以实现流体力学与ASM模型的连接。CFD可以模拟生物反应器流体力学特性,结合CFD和ASM模型有利于从流体力学角度提高污染物去除率。


  反应器设计


  包头水处理设备中典型的固液分离反应器就是沉淀池;生物处理反应器包括稳定塘、活性污泥法中的曝气池以及厌氧消化池等;化学处理反应器包括絮凝池和接触池等,其中常见的絮凝池有搅拌反应池和隔板式水力絮凝池。以常见的搅拌釜为例,搅拌釜设计过程中有许多放大准则,但是针对具体的搅拌过程,究竟哪个准则比较实用却极大的依赖于经验。通过试验的方法逐级放大,造成设计过程周期长、投入的人力、物力、财力大。


  采用CFD的方法来辅助搅拌器的设计,可以极大的避免上述试验研究的不足。下例为某一生物搅拌式反应器中的桨叶形式,对于生物反应器来说需要提供适宜的剪切力,剪切不够,造成生物体生长所需的营养物质分布不匀,生物体生长缓慢,剪切过强又会造成菌丝体、细胞的破裂死亡,因此,需要对搅拌桨叶进行优化。


  包头水处理设备辅助设备


  包头水处理设备装置包含许多辅助设备,例如,污泥脱水需要离心泵、污水调节与控制需要阀门、污水的输送需要管道等。若想要提高包头水处理设备技术,必然不能忽略辅助设备的重要作用,但许多辅助设备结构较复杂,很难通过试验研究来深入了解其内部特性,于是包头水处理设备设计研发企业和单位常常借助CFD技术来进行研究。ANSYS软件能够解决复杂几何的网格划分问题,并拥有丰富的物理模型,被广泛地应用于各种包头水处理设备设备的设计优化过程中,并取得了可喜的成果。


  以泵为例,其叶轮内是高度的湍流流动,水力设计和性能预测也是泵设计的核心工作,ANSYS软件能够设计各种旋转和静止的叶片元件并生成高质量的网格,CFX更是全球公认最好的旋转机械工程CFD软件,被旋转机械领域90%以上的企业作为主要的气动/水动力学分析和设计工具。


  北美的EMP公司采用ANSYS-CFX模拟的常规涡壳水泵。EMP的工程师说,ANSYS-CFX的通用网格界面(GGI)模型使得他们能够用更短的时间,轻松完成涡壳和叶片的网格划分,而所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力,这是实验测量所无法完成的。他们通过ANSYS-CFX模拟,分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进,提高了水泵的效率。  


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