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1、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器水力特性的數(shù)值模擬論文作者：季民1董廣瑞2霍金勝1宋亞文1丁衛(wèi)東3摘要：應(yīng)用二維N—S方程對(duì)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器中的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。該方法能夠描繪出反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的水流速度以及渦流函數(shù)分布，且模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果吻合得較好。關(guān)鍵詞：移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器水力特性數(shù)值模擬NumericalSimulationforHydraulicCharacteristicsinMovingBedBiofilmReactor Abstract：NumericalsimulationensionalN-Sequationfortheflooving
2、bedbiofilmreactor.Thismethodcandescribetheulationresultingoodcoincidenceovingbedbiofilmreactor;hydrauliccharacteristics;numericalsimulation 對(duì)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)采用數(shù)值模擬方法研究其在廢水處理中的水流特性，將對(duì)反應(yīng)器構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)以及不同操作條件下的流態(tài)分析有所幫助。1反應(yīng)器的構(gòu)造與流速測(cè)定方法 反應(yīng)裝置如圖1所示?！ 》磻?yīng)器的尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為300mm×100mm×800mm，其有效容積
3、為24L。采用天津大學(xué)研制的CLS系列聚丙烯填料，填料內(nèi)徑為10mm，高度為10mm，壁厚為0.9mm，填料內(nèi)部有十字支撐。在水力特性測(cè)定試驗(yàn)中，將反應(yīng)器立面按有效容積劃分為8行6列的均勻網(wǎng)絡(luò)。采用袖珍式超聲波多普勒流量計(jì)，通過(guò)兩個(gè)傳感器測(cè)定在不同工作條件下每種反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)處的流速?！ 》磻?yīng)器內(nèi)流速的測(cè)定方法是：設(shè)定一定的曝氣方式、池型和填料比后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，并逐漸增大氣壓和氣量到設(shè)定值，使填料在某一供氣水平下剛好開(kāi)始在全池近似或完全轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)描繪其轉(zhuǎn)動(dòng)情況并測(cè)定流速。與數(shù)值模擬相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件是：供氣氣壓為0.45MPa，氣量為0.05
4、m3/h，水量為24L，曝氣強(qiáng)度為2.08m3/(m3·h)，填料體積填充比為30%；曝氣頭置于反應(yīng)器內(nèi)左下角。2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算方法2.1 N—S方程及其簡(jiǎn)化2.1.1幾點(diǎn)假設(shè) ①假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)為單相液流(不可壓縮粘性流體)，忽略氣體(曝氣)和固體(填料)對(duì)流態(tài)的影響，同時(shí)忽略密度流影響； ?、诩僭O(shè)反應(yīng)器為長(zhǎng)方形，忽略反應(yīng)器厚度對(duì)流態(tài)的影響，此時(shí)可將反應(yīng)器水力模擬簡(jiǎn)化為二維平面流； ③由于反應(yīng)器頂部總是有部分填料聚集，影響了廢水及填料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而可將頂部邊界簡(jiǎn)化為固壁處理； ?、芷貧忸^位于反應(yīng)器左下方，假設(shè)曝氣的氣壓和氣量在滿足向反應(yīng)
5、器內(nèi)生物供氧的同時(shí)，還能滿足反應(yīng)器廢水及填料旋轉(zhuǎn)所需的最小驅(qū)動(dòng)力?！ ∮纱丝蓪⒃搯?wèn)題的求解簡(jiǎn)化為二維平面不可壓縮粘性流體的流態(tài)模擬。2.1.2 二維平面不可壓縮粘性流體的N—S方程 對(duì)于二維不可壓縮粘性流體，常用N—S方程的渦流函數(shù)法求解，其無(wú)量綱形式為： x——水平方向比例坐標(biāo)［0，1］ y——垂直方向比例坐標(biāo)［0，1］ u——水平方向速度，m/s v——垂直方向速度，m/s Re——雷諾數(shù) 式(1)為渦傳輸方程，式(2)為流函數(shù)Ψ的Poisson方程，兩式組成了ζ—Ψ的封閉而耦合的方程組，其優(yōu)點(diǎn)在于比初始變
6、量方程組少了一個(gè)未知數(shù)和一個(gè)方程，從而減少了內(nèi)存要求；另一方面方程的階數(shù)沒(méi)有增加(最高仍為二階)，而渦量ζ所滿足的方程為典型的對(duì)流擴(kuò)散方程，流函數(shù)方程為經(jīng)典的Poisson方程，因此求解比較容易。2.2 數(shù)值模擬方法2.2.1渦流函數(shù)法方程的有限差分格式 N—S方程的差分格式是：將反應(yīng)器水平(x)方向劃分為60格，豎直(y)方向劃分為160格，每格是邊長(zhǎng)為0.005mm的正方形，即nx=60,ny=160,Δx=Δy=0.005mm。 數(shù)值網(wǎng)絡(luò)的劃分如圖2所示。 渦傳輸方式：［Lh(Ψij)-（2h／Re）］ζij=0 流函數(shù)方程：h
7、2Ψij-ζij=0 其中Lh(Ψij)=uijΔx0+vijΔy0，2h=Δxx+Δyy 對(duì)渦傳輸方程作中心差分，其迭代格式為： 其中γ1、γ2分別為內(nèi)點(diǎn)和邊界點(diǎn)渦量迭代的收斂逼近因子，對(duì)于內(nèi)點(diǎn)： 對(duì)流函數(shù)方程作中心差分，其迭代格式為： 其中β=Δx／Δy，ω為松弛因子，其值域?yàn)?0，2)。 對(duì)于水平方向速率為u和垂直方向速率為v的差分迭代格式為： 2.2.2 邊界處理及壁渦公式 由假設(shè)③可得，反應(yīng)器4個(gè)邊界均按固壁處理，但左邊側(cè)的擬合速率始終為常數(shù)，從而可得二階精度的壁渦迭代公式：
8、 對(duì)于水平方向有Δn=Δx；對(duì)于垂直方向有Δn=Δy。2.2.3 初始條件的處理 因?yàn)槠貧忸^位于MBBR反應(yīng)
