【行業(yè)應(yīng)用】ANSYS Fluent在污水處理行業(yè)的解決方案

2017-01-11  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 概述

世界任何國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,都會(huì)推向社會(huì)進(jìn)步、促進(jìn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力得到提高,使人民生活得到進(jìn)一步改善,但是也隨之帶來(lái)不同程序的環(huán)境污染。污水也是造成環(huán)境污染的來(lái)源之一。這個(gè)污染源的出現(xiàn)引起了世界各國(guó)政府的關(guān)注,治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工作日程。ANSYS Fluent通過(guò)模擬設(shè)備內(nèi)流動(dòng)情況、懸浮物濃度分布以及停留時(shí)間等因素能夠?yàn)槲鬯幚碓O(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)和運(yùn)行管理提供依據(jù),以及污水排放是否超過(guò)水體的自身凈化能力。

污水處理行業(yè)主要設(shè)備分類(lèi):離心機(jī)、污泥脫水機(jī)、曝氣機(jī)、微濾機(jī)、氣浮機(jī)等。

2. 污水處理行業(yè)存在的問(wèn)題

● 曝氣:氣泡分布,以達(dá)到更好的結(jié)垢性能

● 渠道與管道:流量分配問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)均勻的流動(dòng)分布
● 管道和設(shè)備壽命:水錘,振動(dòng)與載荷
● 泵的型號(hào),設(shè)計(jì),氣蝕和渦流
● 化學(xué)反應(yīng)研究
● 產(chǎn)品性能優(yōu)化

3. 仿真分析的必要性

● 客戶(hù)需求的變化

對(duì)自來(lái)水公司的壓力不斷增加,要求提供解決方案,同時(shí)滿(mǎn)足股東的目標(biāo)

驅(qū)動(dòng)改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)的效率。

● 需要新穎的設(shè)計(jì),以提高現(xiàn)有設(shè)備性能

了解操作的現(xiàn)有模式以及測(cè)試設(shè)計(jì)變更和改進(jìn)
施工前需要證明運(yùn)行性能

● 要求獲得EA驗(yàn)收來(lái)說(shuō)服客戶(hù)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)
日益增長(zhǎng)的CFD分析不斷增加了客戶(hù)的需求水平

4. ANSYS Fluent解決方案

污水處理流程

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,在污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié),大量的CFD仿真分析得到應(yīng)用。從以上流程中可以看出,從初始CSO環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)篩、除油、一級(jí)沉淀、ASM、二級(jí)沉淀、UV反應(yīng)器等一系列環(huán)節(jié),都可以采用ANSYS Fluent進(jìn)行流動(dòng)、反應(yīng)或傳熱仿真,為設(shè)備設(shè)計(jì)或水質(zhì)檢測(cè)提供可靠的仿真結(jié)果。

4.1 水源管理(如儲(chǔ)水庫(kù))

儲(chǔ)水庫(kù)三維模型       儲(chǔ)水庫(kù)內(nèi)流動(dòng)速度云圖

ANSYS Fluent提供的湍流模型,對(duì)儲(chǔ)水庫(kù)內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析,能夠反映真實(shí)的流動(dòng)狀態(tài),因此確定是否存在短路循環(huán)區(qū)域(流動(dòng)死區(qū)域),為模型設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)思路,并且可以為實(shí)驗(yàn)確定水質(zhì)檢測(cè)點(diǎn)。

4.2 DAF氣浮裝置

(Dissolved air flotation)DAF氣浮裝置是一種用于污水處理的固-液或液-液分離的設(shè)備。該裝置通過(guò)高壓回流溶氣水減壓產(chǎn)生大量的微氣泡,使其與廢水中密度接近與水的固體或液體微粒粘附,形成密度小于水的氣浮體,在浮力的作用下,上浮至水面,進(jìn)行固-液或液-液分離。廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理?；贑FD分析設(shè)計(jì)有效地去除懸浮物,如固體微粒和油;基于CFD流動(dòng)分析預(yù)測(cè)有助于很好的理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)是如何影響工藝設(shè)計(jì)的初級(jí)和次級(jí)流動(dòng)模式。

由Leopold公司構(gòu)建的DAF樣品(Clari-DAF® 系統(tǒng))

截面上速度云圖和流動(dòng)軌跡

4.3 活性污泥處理技術(shù)(ASM)

ANSYS Fluent通過(guò)加載溶解氧和微生物反應(yīng)等UDF的計(jì)算,得到池中溶解氧濃度及微生物分布,分析污泥池中流動(dòng)狀態(tài),為幾何設(shè)計(jì)及工況設(shè)計(jì)提供前期指導(dǎo)。

4.4 污水處理攪拌機(jī)

對(duì)于液體中含有固體懸浮物的攪拌設(shè)備,受懸浮物的濃度、液體粘度、攪拌葉片的形狀以及轉(zhuǎn)速等多種因素的影響。本案例固體懸浮物體積濃度為12%,轉(zhuǎn)速分布采用1000rpm和1600rpm,ANSYS Fluent針對(duì)不同工況條件進(jìn)行流動(dòng)仿真分析,分析了流場(chǎng)的宏觀規(guī)律、速度特性,并與實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。從x-y曲線(xiàn)圖可以看出,懸浮液固體濃度的仿真結(jié)果在徑向方向上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)一致,且非常接近。因此ANSYS Fluent能夠反映出不同工況下攪拌的程度。

 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 CFD結(jié)果    實(shí)驗(yàn)結(jié)果  CFD結(jié)果
   單個(gè)攪拌葉輪     同軸兩個(gè)攪拌葉輪

X為徑向位置,Z為不同工況下懸浮液的固體濃度分布

4.5 泵的性能及氣蝕

泵的特性曲線(xiàn)

葉片周?chē)黧w速度矢量圖

壓力分布(Pb = 600 kPa)

氣體體積分?jǐn)?shù)(Pb = 350 kPa,反映氣蝕大小)

污水處理廠(chǎng)所用的泵體一般是處理含有固體顆粒雜質(zhì)的液體,ANSYS Fluent研究泵的性能,得出壓力—流量曲線(xiàn),研究顆粒雜質(zhì)對(duì)葉片的沖刷損害,以及氣蝕的影響。因此幫助我們進(jìn)行泵體葉片的設(shè)計(jì)以及選定運(yùn)行工況。

4.6 Direct Contact Membrane Distillation(DCMD)直接接觸式膜蒸餾

直接接觸式膜蒸餾利用高分子膜的多孔性、疏水性、低導(dǎo)熱性能而達(dá)到水純化和溶液濃縮的膜分離技術(shù)。微觀的CFD仿真分析表明沿著膜的長(zhǎng)度方向和徑向方向上的溫差大,因此,必須要考慮膜的可靠性。宏觀CFD仿真分析表明通過(guò)增加半螺旋折流板的布置,在膜模塊內(nèi)可以增加均勻速度區(qū)域的大小。

(a)DCMD原理圖 (b)DCMD過(guò)程的熱邊界層的溫度云圖微觀CFD仿真分析

壓力分布云圖

(a)沒(méi)有擋板結(jié)構(gòu) (b)有擋板結(jié)構(gòu)宏觀CFD仿真分析

不同流量下壓降性能對(duì)比

4.7 污水排放

未經(jīng)處理的污水直接排放江河湖泊及海洋過(guò)程,可以通過(guò)ANSYS Fluent模擬污水向江河湖海中的排放過(guò)程,可以分析主要污染物在水流過(guò)程中的擴(kuò)散過(guò)程和污染物濃度分布情況,為防止污染物超出水體自身凈化能力提供仿真依據(jù)。

5. 總結(jié)

ANSYS Fluent能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要,還可以提供更多的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)信息,與實(shí)驗(yàn)具有相輔相成的作用,可以在污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真分析,為污水處理的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了參考依據(jù)。

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