升流式反应器反应区流体力学模型的构建方法技术

升流式反应器反应区流体力学模型的构建方法，涉及一种升流式反应器反应区的构建方法。解决了目前升流式反应器结构设计与优化的盲目性，以及多套反应器设计方案进行实际尝试所带来的巨大资金与时间耗费的问题，过程如下：１．将反应区剖面划分为均匀网格单元；２．建立反应区剖面的二维计算域欧拉－欧拉三相流体模型，获得质量守恒方程和动量守恒方程；３．确定边值条件和初始条件；４．采用分离式解法中的ＳＩＭＰＬＥ算法求解质量守恒方程和动量守恒方程，获得反应区剖面内每个网格单元的流场数据；５．利用粒子成像测速技术测量反应区剖面的实际流场，并根据测量数据进行调整与反馈，最终确定实用性模型。本发明专利技术适用于升流式反应器的设计领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种升流式反应器反应区的构建方法。
技术介绍
废水厌氧生物处理技术由于其已经展示出的处理能力和潜在的应用前景，一直是 水处理技术的重点领域。随着生产发展与资金、能源、占地等因素间矛盾的进一步突出，寻 求技术经济性更优化的厌氧工艺势在必行。升流式反应器是这一背景下产生的新型高效反 应器，是厌氧废水处理理论与工程实际相结合的产物，在实际工程中得到了广泛的应用。但 是，从实际工程运用中反馈回来的信息，可知当反应器布水系统等已经确定之后，如果低 温条件下运行，或在启动初期，或处理较低浓度有机废水时，由于不可能产生大量沼气的较 强扰动，因此反应器中混合效果较差，从而出现短流；如果通过提高反应器的水力负荷来改 善混合状况，则会出现污泥流失等等。造成以上问题的主要原因之一，在于升流式反应器的设计存在局限性。当前对升 流式反应器的流场机理研究较少，在实际设计中常是依据经验来设计，而设计中往往存在 参数数据有限或是实际数据无法得到，使得反应器的设计带有一定的盲目性，很难进行最 优化选择。在很多情况下，升流式反应器的设计、放大、操作依赖经验要多于科学，利用一些 理想的、经验的关联式得到的结果很难体现实际流场对反应的影响，而对多种反应器进行 实际尝试比较在经济与时间上都是不可实现的。
技术实现思路
本专利技术为了解决目前升流式反应器结构设计与优化的盲目性，以及多套反应器设 计方案进行实际尝试所带来的巨大资金与时间耗费的问题，提出一种升流式反应器反应区 流体力学模型的构建方法。，它是对升流式反应器反应区的构 建，所述升流式反应器反应区，它是由污泥床、废水进口和边壁组成的空间，所述边壁为圆 柱形空心体，边壁下端底部为废水进口，污泥床设置在废水进口上方，并且在边壁内部；具体过程如下步骤一、将升流式反应器反应区剖面划分为均勻网格单元，所述网格单元的网格线与 升流式反应器反应区剖面内流体流动方向一致；步骤二、建立升流式反应器反应区剖面的二维计算域欧拉-欧拉三相流体模型，获得 质量守恒方程和动量守恒方程，其中废水为液态相，污泥为固态相，发酵气体为气态相；步骤三、确定求解步骤二所述的二维计算域欧拉_欧拉三相流体模型的边值条件和初 始条件；步骤四、按照步骤一所划分网格单元，采用分离式解法中的SIMPLE算法求解步骤二所 述的质量守恒方程和动量守恒方程，获得升流式反应器反应区剖面每个网格单元的流场数 据；步骤五、判断步骤四获得的每个网格单元的流场数据是否都小于收敛残差；如果是，则 执行步骤六，否则，重新确定网格单元的疏密程度，返回执行步骤一；步骤六、利用粒子成像测速技术测量升流式反应器反应区剖面的实际流场，并根据测 量数据进行调整与反馈，最终确定升流式反应器反应区的流体力学实用性模型。升流式反应器的反应区是该反应器的核心区域，是生物反应的主要承载区域，是 气-液_固三相进行相间交流与信息传递的重要场所，其流场特性的分析具有重要的研究 意义。反应区流场特性的优劣，直接影响反应过程的稳定性以及传质过程的有效性。本发 明借助计算流体计算力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)理论和工具，提出一 种基于CFD技术的升流式反应器反应区流体力学模型构建方法。专利技术效果一、利用欧拉-欧拉三相流体模型构建反应区，有利于迅速对升流式反应器核心区域 进行流场效应分析，及时评估与诊断反应器的运行效能；二、利用升流式反应区流体力学模型可对反应器进行定量和多尺度的数值模拟，对工 艺优化和调控具有直接的指导意义；三、阐述不同控制条件下反应器内部的流动机制，确定反应器优化设计参数以及工程 放大的相似因子。借助所获得的模型，通过调整几何网格结构以及模拟参数，我们可以对不同尺寸、 不同结构等的反应器进行流场模拟，分析不同设计参数条件下的反应器流场特性和处理效 能；另外，基于模拟结果的可视化技术，可迅速直观地进行反应器尺寸和结构等设计参数的 优选，大大节省了时间和成本，同时也避免了设计的盲目性，为反应器的设计和优化带来了 极大的方便。本专利技术适用于升流式反应器的设计领域。附图说明图1为本专利技术升流式反应器反应区的几何模型示意图。图2为本专利技术升流式反应 器反应区的网格单元划分示意图。图3为本专利技术的流程图。具体实施例方式具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，升流式反应器反应区流体力学模型 的构建方法，它是对升流式反应器反应区的构建，所述升流式反应器反应区，它是由污泥床 1、废水进口 2和边壁3组成的空间，所述边壁3为圆柱形空心体，边壁3下端底部为废水进 口 2，污泥床1设置在废水进口 2上方，并且在边壁3内部； 具体过程如下步骤一、将升流式反应器反应区剖面划分为均勻网格单元，所述网格单元的网格线与 升流式反应器反应区剖面内流体流动方向一致；步骤二、建立升流式反应器反应区剖面的二维计算域欧拉-欧拉三相流体模型，获得 质量守恒方程和动量守恒方程，其中废水为液态相，污泥为固态相，发酵气体为气态相；步骤三、确定求解步骤二所述的二维计算域欧拉_欧拉三相流体模型的边值条件和初 始条件；步骤四、按照步骤一所划分网格单元，采用分离式解法中的SIMPLE算法求解步骤二所 述的质量守恒方程和动量守恒方程，获得升流式反应器反应区剖面每个网格单元的流场数据；步骤五、判断步骤四获得的每个网格单元的流场数据是否都小于收敛残差；如果是，则 执行步骤六，否则，重新确定网格单元的疏密程度，返回执行步骤一；步骤六、利用粒子成像测速技术测量升流式反应器反应区剖面的实际流场，并根据测 量数据进行调整与反馈，最终确定升流式反应器反应区的流体力学实用性模型。粒子成像测速技术原理在于，将示踪粒子导入流场，以示踪粒子的速度代表其所 在流场内相应位置处流体微元的运动速度。在测量的过程中，利用强光(片形光束)照射流 场中的一个指定测试平面，用成像的方法(照相或摄像)记录下2次或多次曝光的示踪粒子 的位置，用图像成像与分析技术得到各点示踪粒子的位移，然后由此位移和曝光的时间间 隔，便自动折算出流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量，包括流场速度矢量图、 速度分量图、流线图、漩度图等。然后利用某一个参量的测量数据，跟相应的模拟数据进行 比对，即可得到两者之间的误差，如果误差较大，重新调整模型参数，再进行模拟，直到模拟 数据与测量数据的误差范围在允许的范围之内，这样可确定最终的实用性模型。具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一中 步骤一的进一步说明，步骤一中网格单元为四边形网格单元。具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一中步骤二的进一步说明，步骤 二中建立升流式反应器反应区剖面的二维计算域欧拉_欧拉三相流体模型，获得质量守恒 方程和动量守恒方程，具体为废水为液态相连续流，污泥为固态相连续流，发酵气体为气态相连续流；气、液、固三相 连续流根据各自的体积分率共享压力场；每一相的运动由各自对应的动量守恒方程和质量 守恒方程控制；各相的质量守恒方程亦即连续方程，如下所示液态相的质量守恒方程为^&彡)+ V{pTATuL) = 0 ；CC固态相的质量守恒方程为+= 0 ；or气态相的质量守恒方程为+= 0 a其中，Pi是液态相的浓度，Ps是固态相本文档来自技高网...

【技术保护点】
升流式反应器反应区流体力学模型的构建方法，其特征在于它是对升流式反应器反应区的构建，所述升流式反应器反应区，它是由污泥床（１）、废水进口（２）和边壁（３）组成的空间，所述边壁（３）为圆柱形空心体，边壁（３）下端底部为废水进口（２），污泥床（１）设置在废水进口（２）上方，并且在边壁（３）内部；具体过程如下：步骤一、将升流式反应器反应区剖面划分为均匀网格单元，所述网格单元的网格线与升流式反应器反应区剖面内流体流动方向一致；步骤二、建立升流式反应器反应区剖面的二维计算域欧拉－欧拉三相流体模型，获得质量守恒方程和动量守恒方程，其中废水为液态相，污泥为固态相，发酵气体为气态相；步骤三、确定求解步骤二所述的二维计算域欧拉－欧拉三相流体模型的边值条件和初始条件；步骤四、按照步骤一所划分网格单元，采用分离式解法中的ＳＩＭＰＬＥ算法求解步骤二所述的质量守恒方程和动量守恒方程，获得升流式反应器反应区剖面每个网格单元的流场数据；步骤五、判断步骤四获得的每个网格单元的流场数据是否都小于收敛残差；如果是，则执行步骤六，否则，重新确定网格单元的疏密程度，返回执行步骤一；步骤六、利用粒子成像测速技术测量升流式反应器反应区剖面的实际流场，并根据测量数据进行调整与反馈，最终确定升流式反应器反应区的流体力学实用性模型。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，丁杰，任南琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]