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1、计算流体力学在ABR反响器中的应用利用流体力学技术是污水处理反响器研究的一个重要开展方向，其中ABR 反响器是厌氧反响器中的常见反响器。通过分析ABR反响器，运用流体力学技 术，测试不同的网格划分密度和流动模型，将ABR反响器的水力学特性与上升 流态用计算机展现出来，在确定反响器结构尺寸和操作参数上进行水力学行为预 测。标签：计算流体力学；ABR反响器；应用引言计算流体力学（CFD）是以离散数学的思维方式，在计算机上使用离散数值 方法，设定控制方程并进行求解，计算和预测连续动态流体的技术，是本世纪流 体力学领域的重点开展方向之一。在污水处理工程中，任何反响器都需要通过实 验的方法来确定反响器的
2、最正确流态，采用CFD技术，开展ABR处理废水的水力 学特性研究，为工业企业水污染防治和管理的实际工程应用提供崭新的应用基础 研究理论依据与技术平台。下面将针对ABR反响器，包括清水单相及泥水混合 液（生物气、液、固）三相的情况，在生态因子不同的条件下，模拟和比拟ABR 内部的水力学特性，从而对ABR处理废水的水力学特性和生态因子耦合机制的 进行整合优化，其目的是在工业生产中到达最正确效能。1流体力学在ABR反响器中的应用现状CFD的应用已普及各个与流动相关的行业和领域，但在水处理领域的应用 起步较晚。模拟生化处理构筑物既要考虑流态，又要考虑生化反响过程。所以对 于生化处理构筑物的模拟，主要分
3、为两个层面：对于生化反响过程的模拟，主 要采用数学模型；对于物理过程的模拟，主要采用流体力学模型。严格意义上 来讲，CFD模型更偏向于模拟物理过程，但是也可以和生化反响过程有机结合 起来。国外的研究主要将生化反响数学模型和CFD模型相结合，针对生化反响 的机理建立基于水流流动、传质过程及环境影响等方面的模型，模拟的目标多为 考察生化指标的分布和去除口;国内的研究主要是从构筑物内部的水力特性出 发，考察池内流场、污泥分布等，或通过改变构筑物结构、运行条件，提出设计、 运行的优化方案。2流体力学在ABR反响器的离散化处理CFD最核心的思想是在计算机上用离散的方式把连续流体处理成单独的个 体。比拟知
4、名的有平滑粒子流体力学，求解流体问题的拉格朗日方法、把方程映 射到像球谐函数和切比雪夫多项式等正交函数上的技术或者利用格子波尔兹曼 方法（Lattice Boltzmann Methods）。但是根据最基本的思想，最好的方法还是把 空间区域离散化，使连续的流体变成小个体并有独立空间，这样就形成了一个立 体网格或者空间点，这样的立体网格可以不规那么，每个立体网格必须单独存储在 内存中，如果反响器中的流体是高度动态的并且在速度高、跨越尺度大，立体网 格本身应该可以随时间调整，自适应网格细化方法。对于ABR反响器选择非结 构化四面体网格生成方法，这样的每个网格都由两个三角面构成，能够较容易的 处理复
5、杂的结构，尤其对于反响器的入口和出口处。其收敛性好，对反响器的入 口局部、出口局部、折流板局部分别建模并生成网格，域边界采用液-液界面。其中A是控制元外表积，也就是ABR反响器的内外表积。V是控制体积元 体积，也就是ABR反响器的体积。Q是被守恒的变量的矢量，而F是通量的矢 量。通过公式（1）得知，如果能求得反响器的内外表积和液体的体积，可以达 到离散化的目的。在生成反响器的立体网格时，还要通过调整参数对网格进行重新构造，可以 采用局部网格增加细分的方法，对计算区域中的入口和出口位置附近增加网格 数。在湍流问题的数值模拟计算中，网格数较密的区域精度就会更高。3流体力学在ABR反响器的流动模型当
6、立体网格确定后，选用已有的算法来解运动方程。如果考虑反响器内的清 水单相运行情况，就选择欧拉方程，如果考虑污泥和清水混合后的两相运行情况 3,可以选纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）o由于ABR反响器中 泥水物的水力学流态最为重要，并考虑了流体环流速度在垂直方向上的变化。如 果想获得二维的速度场、压力场和剪应力场，那么就必须利用粘性流体运动的基 本方程，这是一个复杂的二阶非线性偏微分方程，运算很复杂，而且也未必能比 简单的一维速度场等更准确。目前广泛应用的是Launder和Spalding提出的标 准k模型，这种模型是目前带有液态反响器流场模拟中应用最广泛的涡
7、粘性湍 流模型。它的组成包括两个局部：湍流动能k、湍流耗散率e的传输方程5。为 了提高标准k在生成反响器的立体网格时，还要通过调整参数对网格进行重新构 造，可以采用局部网格增加细分的方法，对计算区域中的入口和出口位置附近增 加网格数。在湍流问题的数值模拟计算中，网格数较密的区域精度就会更高。3流体力学在ABR反响器的流动模型4结束语以采用CFD技术为基础，用专用的流体流动模型开展ABR处理废水的水力 学特性建模研究，并对反响器中流体的实际流动进行计算，通过多种测试手段（如 示踪粒子等）来验证，得到有准确的CFD计算模型，对ABR反响器的水力学特 性和生态因子耦合机制的进行整合优化，以求到达最正
8、确效能；获得ABR最正确构 型；预测ABR反响器在运行过程中可能存在的运行风险，并提出风险防范对策 或应急解决方案。反响器进水的有机物含量，颗粒污泥的生长环境条件是否能在 污水中得到满足至关重要。通过改变反响器内的水力学特性，完善混合条件使得 污水可以满足相应的条件。对于改变水力学特性来说，就要对反响器进行调整和 设计，水力参数的选择以及反响器沉淀局部流态的控制，都可以通过流体力学来 模拟实验，这样可以用最小的本钱防止不良的水力学流态，防止厌氧菌产甲烷活性的降低，防止污泥菌群的流失，最大限度的发挥反响器效能。实验证明CFD 在污水处理研究过程中起到十分重要的作用。参考文献lGarcia-Cal
9、vo E, Rodriguez A, Prados A, Klein JIA fluid dynamic model for three-phase airlift reactors J. Chemical Engineering Science, 1999, 54： 2 359 2 370.2B. Cockbom, and C. W. Shu.TVB Runge-Kutta local project discontinuous Galerkin finite element method for scalar conservation laws ii. General framework,
10、 math. Comp. 19893张远君.两相流体动力学M.北京：北京航空学院出版社，1987.5Jenne M. and Reuss M. A critical assessment on the use of k- turbulence models for simulation of the turbulent liquid flow induced by a Rushton-turbine in baffled stirred-tank reactors. Chem. Eng. Sci. 1999, 54 （17）： 3921 39416Chen Y S ， Kim S W. Computation of turbulent flows using an extendedk-Eturbulence closure modelR. NASA CR-179204, 1987.作者简介：孙浩鹏（1975-）,男（汉），吉林长春人，讲师，主要研究：计 算机应用。