污水處理反應器的計算流體力學

內容概要

　　本書可為工作在污水處理領域的科技人員提供計算流體力學基礎知識，為環(huán)境工程專業(yè)的研究生提供一本教學參考書。

書籍目錄

第1章 緒論
第2章 流體力學的基本原理
第3章 流體運動方程的數(shù)值計算方法
第4章 網(wǎng)格系統(tǒng)的概念與生成技術
第5章 常用的計算流體力學軟件及其使用方法
第6章 廢水處理反應器中流體力學特性的計算方法
第7章 廢水處理反應器的流態(tài)計算實例
第8章 膜技術和厭氧反應器與計算流體力學
第9章 廢水處理中的充氧設備的流態(tài)計算
第10章 計算流體力學與生物反應動力學的聯(lián)合應用

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   流體是水處理反應器中物質和能量傳遞的主要載體，反應器的水力特性直接影響反應器的混合過程，制約著反應器的處理效果。因此，利用流體力學的方法研究反應器的水力特性，結合反應器基本原理建立反應器模擬和分析的數(shù)學模型，對反應器的設計和運行狀況進行分析，將為水處理反應器的優(yōu)化設計和運行開辟一條新的思路和方法。美國有報道表明，在污水處理廠處理單元構筑物的設計和運行中，使用計算流體力學技術后，優(yōu)化了反應器的設計，解決了運行中存在的問題，反應器的處理效率也提高了10％～35％。 1977年，Larsen首先將混合長理論用于平流式沉淀池水流湍動黏性系數(shù)的計算中，并在此基礎上提出了一個相對完整的沉淀池計算數(shù)學模型，用于沉淀池運行過程的分析，這也是計算流體力學技術應用于水處理領域最早的報道之一。但這一模型只求解了一維條件下的流動方程，對流場特性的分析不夠全面，對處理效果的研究也僅停留在流場分析的基礎上，未能利用流場分析結果進一步求解懸浮物濃度場，考察沉淀池出口處懸浮物濃度分布，研究沉淀池運行效果。20世紀80年代，隨著計算流體力學技術的發(fā)展，應用二維K-ε湍流模型分析沉淀池水流狀況，并與懸浮物輸移模型結合組成沉淀池模擬的數(shù)值模型，也在沉淀池的優(yōu)化設計和運行中得到了一定的應用。 計算流體力學技術包含了數(shù)學、計算機科學、工程學和物理學等多種學科，這些學科的知識綜合起來，提供了建立水處理反應器流動模型的方式和方法。這一技術應用于水處理反應器的設計和運行中，不僅豐富了水處理工程領域研究的手段，而且能夠利用數(shù)值模擬的方法，分析反應器的運行狀況，對于減少物理模擬必要性，節(jié)約研究資金和時間，都有著重要的價值；同時還有助于解決某些由于實驗技術手段限制，難以進行測試的問題。 1.3 數(shù)值模擬的應用前景與局限性 計算流體力學技術用途非常廣泛，大到飛機、火箭、船舶、建筑物、汽車等的外部流場和化學反應器、發(fā)動機、鍋爐等內部反應、燃燒、傳熱、傳質過程的仿真模擬，小到噴墨打印機噴墨、人體微血管內血液流動過程的仿真模擬。在這個領域內國際上流行一句經(jīng)典的話，叫做"如果是流動的，我們就可能對它進行分析"。 經(jīng)過半個世紀的迅猛發(fā)展，計算流體力學這門學科已相當成熟。計算流體力學技術的應用早已超越傳統(tǒng)的流體力學和流體工程的范疇，如航空、航天、船舶、動力、水利等，擴展到化工、核能、冶金、建筑、環(huán)境等許多相關領域中去。 近年來，計算流體力學在新型計算方法的發(fā)展和多尺度非定常復雜流動的數(shù)值模擬研究方面有了長足的進展，且在解決越來越廣泛實際流動問題的應用中顯示了重要作用。除了在航空航天、熱核反應等實際流動的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設計中的應用外，在生物力學、氣動聲學、多相流、大氣海洋環(huán)境以及微型機械流動等眾多領域的數(shù)值模擬研究中得到了更加深入廣泛的發(fā)展。隨著巨型并行計算機的快速發(fā)展，計算流體力學近期仍將處于高速發(fā)展的態(tài)勢，它將在高新技術的基礎研究和解決實際流動問題兩個方面發(fā)揮越來越重要的作用。 雖然數(shù)值模擬有很多的優(yōu)越性，它也具有一定的局限性，存在一定的問題。 首先，數(shù)值模擬的進行要有準確的數(shù)學模型。對不少問題，在其機理尚未完全搞清楚之前，數(shù)學模型很難準確化，比如高速水流的氣蝕現(xiàn)象、多相流各相間的相互作用、物理化學流動中的復雜規(guī)律等等，都難以用準確的數(shù)學模型加以描述，人們經(jīng)常借助于各種半經(jīng)驗性的模型，這就大大影響了數(shù)值模擬的正確性和可靠性。 其次是，數(shù)值模擬中對數(shù)學方程進行離散化處理時，需要對計算中所遇到的穩(wěn)定性、收斂性等進行分析。這些分析方法大部分對線性方程是有效的，對非線性方程來說只有啟發(fā)性，沒有完整的理論。對于邊界條件影響的分析，困難就更大一些，所以計算方法本身的正確與可靠也要通過實際計算加以確定，在計算過程中有時還要有一定的技巧性。因此，為了驗證計算結果的正確性，還必須與相應的實驗研究結果進行比較。 再次，數(shù)值模擬還受到計算機本身條件的限制，即計算機運行速度和容量大小的限制，有些問題盡管已經(jīng)有了成熟的數(shù)值模型，但是完全實現(xiàn)模擬并不現(xiàn)實。湍流流動的數(shù)值模擬是一個典型的例子。它的數(shù)學模型是經(jīng)典的Navier—Stokes方程，但由于流動是不定常的、三維的，各種渦的尺度變化很大，計算工作量非常之大。為了能完全模擬湍流運動，還必須大力發(fā)展計算機，同時要努力改進計算方法，提高計算效率。 總而言之，在強調數(shù)值模擬優(yōu)越性的同時，也必須看到它的局限性，應該把它放在適當?shù)奈恢谩Ｗ鳛檠芯苛黧w流動的一個重要手段，它與理論分析、實驗研究是相輔相成的。 1.3.2 數(shù)值模擬的發(fā)展前景 為了克服上述種種局限，不斷提高數(shù)值模擬的能力和效益，目前出現(xiàn)了一些值得注意和令人鼓舞的新發(fā)展方向和前景。 在數(shù)學模型方面，人們開始注意一種全新的、并非由連續(xù)介質概念出發(fā)的完全離散的模型，即格子機?，F(xiàn)在已有原子格子機和分子格子機等大體相近而又有區(qū)別的模型。在這種模型中，人們把流體看作由大量質點構成的，它們做類似于分子和原子的運動，其之間的相互作用是十分簡單的，因此，運算也變得十分簡單，但是質點的個數(shù)將是十分龐大的。利用這種模型人們可以描述流體的運動，而且已經(jīng)取得了一些成果。為了有效地利用這種模型，人們需要設計專用的計算機。研究表明，該方法受到小雷諾數(shù)和低馬赫數(shù)的限制，1992年以來人們進一步發(fā)展了一種實數(shù)型格子器Lattice Boltzman Method（LBM），這是一種介于上述格子機和Navier-Stokes方程之間的全新的方法。不同于Navier-Stokes方程中直接離散求解流體的運動，LBM基于分子動力學，對每個顆粒進行跟蹤，它的基本思想是建立一個簡化的，結合了微觀過程必要特征的動力學模型，以使宏觀平均的性質滿足微觀方程。目前LBM已經(jīng)開始應用于一些復雜的流場的數(shù)值模擬中，是一種很有前途的方法。

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