第一章  緒論

人類和水的關(guān)系十分密切，不論是生活或生產(chǎn)活動(dòng)都離不開(kāi)這一寶貴自然資源。我國(guó)的水資源總量豐富，2010 年全年水資源總量達(dá) 28470 億 m3。我國(guó)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量為190.6 m3，生產(chǎn)工藝的相對(duì)落后和人們節(jié)約水的意識(shí)薄弱，造成了水質(zhì)量惡化。2012 年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)指出：全國(guó)廢水排水總量 684.8 億 t，其中工業(yè)廢水排放量 221.6億t，生活污水排放量462.7億t；化學(xué)需氧量排放2423.7萬(wàn)t，氨氮排放量253.6萬(wàn) t[1]。此外，包括了多氯聯(lián)苯（PCBs），多環(huán)芳烴（PAHs）等持久性難降解有機(jī)污染物（POPs）也是造成水環(huán)境污染嚴(yán)重的一個(gè)重要方面。處理上述各種（污）廢水中的污染物，使其歸一化為無(wú)害物質(zhì)如 CO2和 H2O 的過(guò)程技術(shù)仍然是以生物方法為主體，同時(shí)也是應(yīng)用得最廣泛的（污）廢水處理方法。在生物處理中，廢水中的有機(jī)物一部分被微生物吸收并分解成簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物，同時(shí)放出能量，作為微生物自身生命活動(dòng)的能源。另一部分有機(jī)物則作為其生長(zhǎng)繁殖所需要的構(gòu)造物質(zhì)，合成新的原生質(zhì)。生物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)更新、成長(zhǎng)、老化，，不斷循環(huán)，污泥負(fù)荷以及微生物的生長(zhǎng)曲線相對(duì)穩(wěn)定，停留時(shí)間也是固定的。在這過(guò)程中，一方面基于對(duì)原水水質(zhì)的全面了解，包括污染物組成和數(shù)量，適應(yīng)水質(zhì)水量的變化，工藝流程得以確定；另一方面，（污）廢水生物處理過(guò)程中發(fā)生生化反應(yīng)的構(gòu)筑物稱為反應(yīng)器，可按操作方式和物料的流態(tài)方式的不同進(jìn)行分類，除了配合工藝要求外，每種反應(yīng)器的設(shè)計(jì)都可從流體力學(xué)、傳質(zhì)與傳熱和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行優(yōu)化。
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第二章  CFD基礎(chǔ)理論及其模型概述

2.1 計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)理論
利用有限差分法生成網(wǎng)格，并用數(shù)值工具代替具連續(xù)性的偏微分方程后，我們將選用某種方法并使用上述數(shù)值工具求解給定問(wèn)題。這些方法可歸納成兩類——顯式方法和隱式方法。顯式方法是每個(gè)差分方程只含有一個(gè)未知數(shù)，所以可用直接計(jì)算的方法顯式求解這個(gè)未知數(shù)；而隱式方法就是針對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)上的差分方程在時(shí)間和空間不是獨(dú)立的情況，必須要形成一個(gè)代數(shù)方程組同時(shí)求解。相比顯式方法而言，隱式方法比較復(fù)雜，然而，它們中一個(gè)重要的區(qū)別限制了20 世界80 年代時(shí)顯式方法的使用。那就是在求解非定常問(wèn)題上，差分方程中的?x 一旦確定了，?t則受到穩(wěn)定性條件的限制，其值必須足夠小以保持穩(wěn)定性，這樣會(huì)使鐘面計(jì)算時(shí)間大幅度延長(zhǎng)。相反，隱式方法沒(méi)有穩(wěn)定性限制，可取用比顯式方法大得多的?t ，故在計(jì)算給定的時(shí)間變量時(shí)，盡管隱式方法的計(jì)算復(fù)雜，但所用的時(shí)間步數(shù)比顯式方法少得多，所以總的運(yùn)行時(shí)間反而更少。

2.2 CFD基礎(chǔ)模型概述
運(yùn)用三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程對(duì)流動(dòng)進(jìn)行直接數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要采用很小的時(shí)間步長(zhǎng)和網(wǎng)格才能分辨出湍流中變化劇烈的時(shí)空特征。目前處理湍流數(shù)值計(jì)算有三種方法，分別是雷諾平均N-S（RANS）方法、大渦模擬（LES）方法和直接數(shù)值模擬（DNS）方法。目前唯一能用在實(shí)際工程上的是RANS 方法，該方法將湍流的瞬間運(yùn)動(dòng)分解為脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)和平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，然后把前者對(duì)后者的貢獻(xiàn)用雷諾應(yīng)力項(xiàng)來(lái)�；�。這種方法將Navier-Stokes 方程對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均后，得到的關(guān)于時(shí)均物理量的控制方程包含未知量，無(wú)法直接求解，要使方程封閉，通過(guò)引入湍流模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。湍流模型就是把未知的更高階的時(shí)間平均值表示為較低階的計(jì)算中可確定的量的函數(shù)。

第三章 底隙十字擋板對(duì)四邊形流化床流體力學(xué)性能優(yōu)化數(shù)值模擬 ........................ 22

3.1 前言 ......................................... 22

3.2 模型建立 ................................22

第四章 十字形與漏斗型內(nèi)構(gòu)件耦合強(qiáng)化四邊形流化床流體力學(xué)性能模擬研究 .... 34

4.1 前言 ............................34

4.2 模型建立 .....................................5

第五章 基于污廢水處理的四邊形流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)反饋數(shù)值模擬 ............................ 45

5.1 前言 ............................. 45

5.2 模型建立 ............................ 46

第五章  基于污廢水處理的四邊形流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)反饋數(shù)值模擬

5.1 前言
經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，研究者較多利用 CFD 工具對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行二維模擬，這樣可以節(jié)省計(jì)算機(jī)資源與時(shí)間成本，但對(duì)流體在三維空間特定局部的流動(dòng)行為缺乏全面了解，事實(shí)上，也有研究表明[91]，二維平面模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不如理想的偏差。對(duì)比起圓柱形流化床，四邊形流化床的建造難度和成本低，增容潛力大，有利于大型工程化，已經(jīng)在本課題組主持的數(shù)十個(gè)廢水工程上應(yīng)用，并運(yùn)行良好。借助三維數(shù)值模擬，對(duì)四邊形流化床進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步為四邊形流化床尋找降低能耗，提高效能的指引。本章選取了文獻(xiàn)中綜述影響含導(dǎo)流筒（或?qū)Я靼澹┑臍馍椒磻?yīng)器性能的三類結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是導(dǎo)流筒與反應(yīng)器的邊長(zhǎng)比、導(dǎo)流筒與底部距離和導(dǎo)流筒與液面距離，以氣含率、液體循環(huán)速度等流體力學(xué)性能指標(biāo)為主要評(píng)價(jià)手段，為揭示四邊形流化床從中試向工業(yè)放大邁進(jìn)方向的可視化與智能化提供捷徑。 

5.2 模型建立
運(yùn)用SIMPLE算法求解速度壓力耦合方程。一階迎風(fēng)格式用作動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率的離散格式，QUICK 格式用作體積分?jǐn)?shù)的離散格式，同時(shí)，使用 Fluent 默認(rèn)的松弛因子。本章研究模擬非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，采用0.003 s 的時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)間步迭代50 次。所有變量的收斂標(biāo)準(zhǔn)殘差值設(shè)為 1×10-3，計(jì)算收斂且進(jìn)出口流量和監(jiān)測(cè)面的液體循環(huán)速度和氣含率波動(dòng)在5%之內(nèi)則認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)，停止迭代計(jì)算。 所有計(jì)算采用并行計(jì)算，在 Intel Core i7 3.5GHz 四核CPU，16GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。每個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí)間約為150 h。
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結(jié)論與展望

（1）針對(duì)四邊形內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)氣液兩相流動(dòng)，在 Gambit 軟件構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件Eulerian-Eulerian雙流體模型通過(guò)可視化功能描述床內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)特征，解析反應(yīng)器流場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明數(shù)值模擬手段可作為指導(dǎo)廢水處理生物反應(yīng)器進(jìn)步方向的工具，并指導(dǎo)其工業(yè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。 （2）底隙區(qū)置入十字擋板的整流作用可明顯降低流體在流化床底部非彈性碰撞而造成的水頭損失，使四邊形流化床內(nèi)上升區(qū)和下降區(qū)液體循環(huán)速度最大提升了 15.7%和15.0%。內(nèi)構(gòu)件能使流化床內(nèi)液體循環(huán)速度在上升區(qū)截面較均勻分布，令其峰值最大下降24.1%。在模擬好氧處理工況條件下，此內(nèi)構(gòu)件降低系統(tǒng)能耗作用更佳，湍流動(dòng)能耗散率下降31.9%。數(shù)值解析表明基于污（廢）水處理對(duì)反應(yīng)器流體力學(xué)性能的要求，底隙十字擋板實(shí)現(xiàn)了對(duì)四邊形流化床水力條件和系統(tǒng)能耗的優(yōu)化。
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參考文獻(xiàn)（略）