污水處理反應(yīng)器的計(jì)算流體力學(xué)

內(nèi)容概要

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

書籍目錄

第1章 緒論
第2章 流體力學(xué)的基本原理
第3章 流體運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值計(jì)算方法
第4章 網(wǎng)格系統(tǒng)的概念與生成技術(shù)
第5章 常用的計(jì)算流體力學(xué)軟件及其使用方法
第6章 廢水處理反應(yīng)器中流體力學(xué)特性的計(jì)算方法
第7章 廢水處理反應(yīng)器的流態(tài)計(jì)算實(shí)例
第8章 膜技術(shù)和厭氧反應(yīng)器與計(jì)算流體力學(xué)
第9章 廢水處理中的充氧設(shè)備的流態(tài)計(jì)算
第10章 計(jì)算流體力學(xué)與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的聯(lián)合應(yīng)用

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   流體是水處理反應(yīng)器中物質(zhì)和能量傳遞的主要載體，反應(yīng)器的水力特性直接影響反應(yīng)器的混合過程，制約著反應(yīng)器的處理效果。因此，利用流體力學(xué)的方法研究反應(yīng)器的水力特性，結(jié)合反應(yīng)器基本原理建立反應(yīng)器模擬和分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，將為水處理反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行開辟一條新的思路和方法。美國(guó)有報(bào)道表明，在污水處理廠處理單元構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，使用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)后，優(yōu)化了反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，解決了運(yùn)行中存在的問題，反應(yīng)器的處理效率也提高了10％～35％。 1977年，Larsen首先將混合長(zhǎng)理論用于平流式沉淀池水流湍動(dòng)黏性系數(shù)的計(jì)算中，并在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)相對(duì)完整的沉淀池計(jì)算數(shù)學(xué)模型，用于沉淀池運(yùn)行過程的分析，這也是計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用于水處理領(lǐng)域最早的報(bào)道之一。但這一模型只求解了一維條件下的流動(dòng)方程，對(duì)流場(chǎng)特性的分析不夠全面，對(duì)處理效果的研究也僅停留在流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，未能利用流場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)一步求解懸浮物濃度場(chǎng)，考察沉淀池出口處懸浮物濃度分布，研究沉淀池運(yùn)行效果。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)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(jié)合組成沉淀池模擬的數(shù)值模型，也在沉淀池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到了一定的應(yīng)用。 計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)包含了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等多種學(xué)科，這些學(xué)科的知識(shí)綜合起來(lái)，提供了建立水處理反應(yīng)器流動(dòng)模型的方式和方法。這一技術(shù)應(yīng)用于水處理反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，不僅豐富了水處理工程領(lǐng)域研究的手段，而且能夠利用數(shù)值模擬的方法，分析反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，對(duì)于減少物理模擬必要性，節(jié)約研究資金和時(shí)間，都有著重要的價(jià)值；同時(shí)還有助于解決某些由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段限制，難以進(jìn)行測(cè)試的問題。 1.3 數(shù)值模擬的應(yīng)用前景與局限性 計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)用途非常廣泛，大到飛機(jī)、火箭、船舶、建筑物、汽車等的外部流場(chǎng)和化學(xué)反應(yīng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐等內(nèi)部反應(yīng)、燃燒、傳熱、傳質(zhì)過程的仿真模擬，小到噴墨打印機(jī)噴墨、人體微血管內(nèi)血液流動(dòng)過程的仿真模擬。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)國(guó)際上流行一句經(jīng)典的話，叫做"如果是流動(dòng)的，我們就可能對(duì)它進(jìn)行分析"。 經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的迅猛發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)這門學(xué)科已相當(dāng)成熟。計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用早已超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，如航空、航天、船舶、動(dòng)力、水利等，擴(kuò)展到化工、核能、冶金、建筑、環(huán)境等許多相關(guān)領(lǐng)域中去。 近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)在新型計(jì)算方法的發(fā)展和多尺度非定常復(fù)雜流動(dòng)的數(shù)值模擬研究方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，且在解決越來(lái)越廣泛實(shí)際流動(dòng)問題的應(yīng)用中顯示了重要作用。除了在航空航天、熱核反應(yīng)等實(shí)際流動(dòng)的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用外，在生物力學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)、多相流、大氣海洋環(huán)境以及微型機(jī)械流動(dòng)等眾多領(lǐng)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(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)近期仍將處于高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，它將在高新技術(shù)的基礎(chǔ)研究和解決實(shí)際流動(dòng)問題兩個(gè)方面發(fā)揮越來(lái)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(jìn)行要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)不少問題，在其機(jī)理尚未完全搞清楚之前，數(shù)學(xué)模型很難準(zhǔn)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(xué)流動(dòng)中的復(fù)雜規(guī)律等等，都難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以描述，人們經(jīng)常借助于各種半經(jīng)驗(yàn)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(duì)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行離散化處理時(shí)，需要對(duì)計(jì)算中所遇到的穩(wěn)定性、收斂性等進(jìn)行分析。這些分析方法大部分對(duì)線性方程是有效的，對(duì)非線性方程來(lái)說(shuō)只有啟發(fā)性，沒有完整的理論。對(duì)于邊界條件影響的分析，困難就更大一些，所以計(jì)算方法本身的正確與可靠也要通過實(shí)際計(jì)算加以確定，在計(jì)算過程中有時(shí)還要有一定的技巧性。因此，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，還必須與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行比較。 再次，數(shù)值模擬還受到計(jì)算機(jī)本身?xiàng)l件的限制，即計(jì)算機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)模擬并不現(xiàn)實(shí)。湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬是一個(gè)典型的例子。它的數(shù)學(xué)模型是經(jīng)典的Navier—Stokes方程，但由于流動(dòng)是不定常的、三維的，各種渦的尺度變化很大，計(jì)算工作量非常之大。為了能完全模擬湍流運(yùn)動(dòng)，還必須大力發(fā)展計(jì)算機(jī)，同時(shí)要努力改進(jìn)計(jì)算方法，提高計(jì)算效率。 總而言之，在強(qiáng)調(diào)數(shù)值模擬優(yōu)越性的同時(shí)，也必須看到它的局限性，應(yīng)該把它放在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｗ鳛檠芯苛黧w流動(dòng)的一個(gè)重要手段，它與理論分析、實(shí)驗(yàn)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(xué)模型方面，人們開始注意一種全新的、并非由連續(xù)介質(zhì)概念出發(fā)的完全離散的模型，即格子機(jī)?，F(xiàn)在已有原子格子機(jī)和分子格子機(jī)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(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的，它們做類似于分子和原子的運(yùn)動(dòng)，其之間的相互作用是十分簡(jiǎn)單的，因此，運(yùn)算也變得十分簡(jiǎn)單，但是質(zhì)點(diǎn)的個(gè)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(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)專用的計(jì)算機(jī)。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(lái)人們進(jìn)一步發(fā)展了一種實(shí)數(shù)型格子器Lattice Boltzman Method（LBM），這是一種介于上述格子機(jī)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(yùn)動(dòng)，LBM基于分子動(dòng)力學(xué)，對(duì)每個(gè)顆粒進(jìn)行跟蹤，它的基本思想是建立一個(gè)簡(jiǎn)化的，結(jié)合了微觀過程必要特征的動(dòng)力學(xué)模型，以使宏觀平均的性質(zhì)滿足微觀方程。目前LBM已經(jīng)開始應(yīng)用于一些復(fù)雜的流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，是一種很有前途的方法。

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