污水處理反應(yīng)器的計算流體力學(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算流體力學(xué)基礎(chǔ)知識，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(shù)
第5章 常用的計算流體力學(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)特性的計算方法
第7章 廢水處理反應(yīng)器的流態(tài)計算實例
第8章 膜技術(shù)和厭氧反應(yīng)器與計算流體力學(xué)
第9章 廢水處理中的充氧設(shè)備的流態(tài)計算
第10章 計算流體力學(xué)與生物反應(yīng)動力學(xué)的聯(lián)合應(yīng)用

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   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，對反應(yīng)器的設(shè)計和運行狀況進行分析，將為水處理反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)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(gòu)筑物的設(shè)計和運行中，使用計算流體力學(xué)技術(shù)后，優(yōu)化了反應(yīng)器的設(shè)計，解決了運行中存在的問題，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(chǔ)上提出了一個相對完整的沉淀池計算數(shù)學(xué)模型，用于沉淀池運行過程的分析，這也是計算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用于水處理領(lǐng)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(chǔ)上，未能利用流場分析結(jié)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(jì)80年代，隨著計算流體力學(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)計和運行中得到了一定的應(yīng)用。 計算流體力學(xué)技術(shù)包含了數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等多種學(xué)科，這些學(xué)科的知識綜合起來，提供了建立水處理反應(yīng)器流動模型的方式和方法。這一技術(shù)應(yīng)用于水處理反應(yīng)器的設(shè)計和運行中，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(shù)手段限制，難以進行測試的問題。 1.3 數(shù)值模擬的應(yīng)用前景與局限性 計算流體力學(xué)技術(shù)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(xué)反應(yīng)器、發(fā)動機、鍋爐等內(nèi)部反應(yīng)、燃燒、傳熱、傳質(zhì)過程的仿真模擬，小到噴墨打印機噴墨、人體微血管內(nèi)血液流動過程的仿真模擬。在這個領(lǐng)域內(nèi)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(jì)的迅猛發(fā)展，計算流體力學(xué)這門學(xué)科已相當(dāng)成熟。計算流體力學(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、動力、水利等，擴展到化工、核能、冶金、建筑、環(huán)境等許多相關(guān)領(lǐng)域中去。 近年來，計算流體力學(xué)在新型計算方法的發(fā)展和多尺度非定常復(fù)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(yīng)用中顯示了重要作用。除了在航空航天、熱核反應(yīng)等實際流動的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用外，在生物力學(xué)、氣動聲學(xué)、多相流、大氣海洋環(huán)境以及微型機械流動等眾多領(lǐng)域的數(shù)值模擬研究中得到了更加深入廣泛的發(fā)展。隨著巨型并行計算機的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)近期仍將處于高速發(fā)展的態(tài)勢，它將在高新技術(shù)的基礎(chǔ)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(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。對不少問題，在其機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(xué)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(jié)果的正確性，還必須與相應(yīng)的實驗研究結(jié)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(xué)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(diào)數(shù)值模擬優(yōu)越性的同時，也必須看到它的局限性，應(yīng)該把它放在適當(dāng)?shù)奈恢?。作為研究流體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(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?，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(zhì)點構(gòu)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(zhì)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(shè)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(xué)，對每個顆粒進行跟蹤，它的基本思想是建立一個簡化的，結(jié)合了微觀過程必要特征的動力學(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)雜的流場的數(shù)值模擬中，是一種很有前途的方法。

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