基于CFD的臭氧接触池优化

论文摘要

由于臭氧具有强氧化性,能有效氧化分解有机污染物、灭活病原微生物,尤其是灭活隐孢子虫和贾第虫（简称两虫）,使得臭氧-活性炭工艺作为饮用水深度处理的主流工艺,在国内外都得到了较为广泛的应用。但是现有臭氧接触池,由于设计不合理,使得池内回流和短流现象严重,T10值较低,水力效率不高。而臭氧接触池的水力效率直接影响到臭氧的消毒效率。根据消毒动力学,灭活效率取决于CT值（臭氧浓度C与消毒时间T的乘积）。当保持出水CT10不变时,提高T10值,就可以降低C值,亦即臭氧投加量,因而也降低溴酸盐得生成量。因此,通过臭氧接触池的优化,提高T10,是控制副产物的重要途径。本文即是针对臭氧接触池池型结构优化这一问题而提出的。随着计算机技术的发展,计算流体动力学（CFD）成为了模型和优化水力效率的重要工具。本文即是利用CFD为研究工具来模拟和优化臭氧接触池。本文首先选取两种具有典型池型结构的臭氧接触池（池型Ⅰ和池型Ⅱ）,通过建立VOF（Volume of Fluid）模型,在不考虑曝气对池内水流流态影响的情况下,以T10/HRT为评价指标对池型Ⅰ和池型Ⅱ进行优化,得到一个水力条件较优的臭氧接触池。在得到一个水力条件较优的臭氧接触池后,通过在该接触池适当的位置增加挡板（增加挡板的方案共有三种,分别为方案一、方案二和方案三）对池型Ⅰ进行优化,以提高水力效率。在计算臭氧接触池内臭氧浓度分布时,考虑到直接以臭氧接触池为研究对象,数值模拟的计算量较大。因此以和臭氧接触池曝气室内具有相同气液传质过程的鼓泡柱为研究对象,通过建立描述气液传质过程的欧拉（Eulerian）模型模拟得到鼓泡柱内臭氧浓度分布,在验证该模型的基础上将该模型运用到臭氧接触池内。最后,在池型优化的基础上,通过建立组元输送模型模拟得到臭氧接触池内臭氧浓度分布和CT值分布。通过研究得到以下结论:①通过模拟发现两种典型的臭氧接触池（池型Ⅰ和池型Ⅱ）内都存在严重的短流和回流现象;②计算得到池型Ⅰ的T10/HRT为0.246,池型Ⅱ的T10/HRT为0.126。池型Ⅰ的水力效率要优于池型Ⅱ的水力效率。但是池型Ⅰ水力效率依然是很低的;③通过方案一、方案二和方案三的优化后,池型Ⅰ的T10/HRT分别为0.346、0.388和0.406,水力效率分别提高了48%、58%和65%。方案三更优;④通过模拟发现,除鼓泡柱曝气头附近（柱高小于0.86m）臭氧浓度和实验测量的值相差较大外,其余部分（柱高大于0.86m）臭氧浓度和实验测量值较吻合。这说明了在鼓泡柱内所建的模拟气液传质过程的模型是正确的;⑤组元输送模型计算结果显示,优化前和通过方案三优化后的平均CT值分别为3.79mg/Lmin和5.17mg/Lmin。优化后的CT值比优化前提高了36.4%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 臭氧接触池简介
• 1.3 国内外计算流体力学研究现状
• 1.3.1 计算流体力学简介
• 1.3.2 计算流体力学在臭氧消毒模拟中的应用
• 1.4 研究内容与技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 典型臭氧接触池水力效率研究
• 2.1 臭氧接触池的功用和水力效率评价指标
• 2.2 典型臭氧接触池的选择
• 2.3 CFD 模型的建立
• 2.3.1 物理模型的简化和网格的划分
• 2.3.2 数学模型的选择
• 2.3.3 边界条件和初始值
• 2.3.4 求解过程
• 2.4 数值计算结果和水力效率评价
• 2.4.1 数值计算结果
• 2.4.2 水力效率评价
• 2.5 小结
• 第3章 典型臭氧接触池的优化
• 3.1 优化方案
• 3.2 CFD 模型的建立
• 3.2.1 网格的划分
• 3.2.2 数学模型的选择
• 3.2.3 边界条件和初始值
• 3.2.4 求解过程
• 3.3 数值模拟结果
• 3.4 小结
• 第4章 臭氧浓度分布模和CT 值分布模拟
• 4.1 鼓泡柱内气液两相流简介
• 4.1.1 鼓泡柱内的流型
• 4.1.2 鼓泡柱内气液间的作用力
• 4.1.3 本章模拟鼓泡柱内臭氧浓度分布的思路
• 4.2 鼓泡柱内气液两相流模型的建立
• 4.2.1 物理模型的简化和网格的建立
• 4.2.2 数学模型的选择
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 数值模拟结果
• 4.3.1 鼓泡柱内气液体积比
• 4.3.2 鼓泡柱内臭氧浓度的计算
• 4.4 模型的验证
• 4.5 臭氧接触池内臭氧浓度分布和CT 值分布
• 4.5.1 组分模型简介
• 4.5.2 组分模型的建立
• 4.5.3 数值模拟结果
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢