曝氣生物濾池多尺度分析與CFD模擬研究.pdf

1、多孔介質(zhì)內(nèi)氣液傳輸是科學(xué)和工程領(lǐng)域普遍存在的現(xiàn)象，本文研究對(duì)象為曝氣生物濾池內(nèi)氣液兩相流流動(dòng)與污染物傳輸過(guò)程，涉及多孔介質(zhì)內(nèi)氣液兩相計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，氧組分和污染物組分傳質(zhì)以及生物膜內(nèi)生物降解反應(yīng)等計(jì)算傳質(zhì)學(xué)。
　　本文首先在Slattery等學(xué)者描述多孔介質(zhì)內(nèi)氣液兩相達(dá)西流動(dòng)以及Whitaker描述多孔介質(zhì)內(nèi)單相非達(dá)西流動(dòng)的基礎(chǔ)上，從微觀孔的尺度下氣相、液相和固相的質(zhì)量和動(dòng)量方程入手，首次通過(guò)局部容積平均法推導(dǎo)了宏觀控制體REV尺

2、度下多孔介質(zhì)內(nèi)氣液兩相非達(dá)西流動(dòng)的質(zhì)量和動(dòng)量方程。
　　其次選取Siefken修正模型、Lipinski模型、Reed模型以及Attou模型使Navier-Stokes方程封閉，選用Fluent6.3計(jì)算流體力學(xué)軟件中歐拉模型對(duì)無(wú)生物膜附著的多孔介質(zhì)內(nèi)氣液兩相同向上向流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)：液相雷諾數(shù)在33～300、氣相雷諾數(shù)在10～650范圍內(nèi)，Siefken修正模型更適合應(yīng)用于粒徑為2-8毫米的多孔介質(zhì)球體內(nèi)氣液兩相

3、同向上向流的數(shù)值模擬，其模型模擬的壓降值與實(shí)測(cè)值基本一致。
　　然后延用Whitaker等學(xué)者關(guān)于從細(xì)胞尺度內(nèi)組分控制方程及邊界條件推導(dǎo)出生物膜尺度下組分控制方程的思想，并采用Orgogozo等關(guān)于帶有生物膜的多孔介質(zhì)內(nèi)單相流的生物膜尺度升級(jí)到宏觀尺度的方法，利用局部容積平均理論對(duì)曝氣生物濾池內(nèi)氣相-液相-生物膜相-多孔介質(zhì)濾料固相等四相系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)間尺度和空間尺度分析，首次通過(guò)尺度升級(jí)方法系統(tǒng)地推導(dǎo)了曝氣生物濾池內(nèi)細(xì)胞尺度到生物

4、膜尺度以及生物膜尺度到達(dá)西尺度的組分控制方程。
　　最后結(jié)合Rittmann擴(kuò)散-反應(yīng)機(jī)理和Atkinson的有效性系數(shù)近似數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立了穩(wěn)態(tài)下有機(jī)物、氨氮和溶解氧的一維擴(kuò)散-反應(yīng)的偽解析解模型，并建立了氧氣在氣相中組分傳輸方程，有機(jī)物、氨氮和溶解氧在液相主體、液膜和生物膜中組分傳輸方程，以及氣相和液相質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。以羅馬南部城市污水處理廠的Biostyr(R)曝氣生物濾池為模擬對(duì)象，選用Fluent軟件中歐拉模型和組分