氯接触池内水流运动和溶质扩散的大涡模拟.pdf

氯接触池内水流运动和溶质扩散的大涡模拟 * 肖柏青戎贵文刘丽红 安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001 摘要 采用大涡模拟 LES 方法数值计算了氯接触池内水流运动和溶质输移扩散， 其中由亚格子尺度涡运动引起的亚 格子应力通过 Smagorinsky- Lilly 亚网格模型模拟， 计算溶质涡扩散系数的施密特数 Sc 取值 0. 5。溶质输运方程中对 流项的差分格式为 QUICK 格式。模拟结果与物模实验结果以及标准 k － ε 湍流模型计算结果相比较， 呈现了良好的 预测效果， 表明建立的数学模型及求解方法在氯接触池水流和溶质输运模拟中的可行性。 关键词 氯接触池; 大涡模拟; 溶质扩散; 数值模拟 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409003 LAＲGE EDDY SIMULATION OF FLOW AND SOLUTE TＲANSPOＲT IN A CHLOＲINE CONTACT TANK Xiao BaiqingＲong GuiwenLiu Lihong School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China AbstractThe flow field and solute dispersion in a chlorine contact tank were computed using large eddy simulation LES technique． The Smagorinsky- Lilly subgrid- scale model for the turbulent subgrid- scale stress was employed to close the governing equations． The value of the Schmidt number was 0. 5 to calculate the eddy diffusion coefficient within the tank． A QUICK difference scheme was used to compute the advection term in solute transport equation． Good results were achieved in this prediction by comparison with the physical model experiment as well as standard k － ε turbulence model simulation． It was therefore concluded that the mathematical model and calculation could be used to simulate the turbulent flow and solute transport in chlorine contact tanks． Keywordschlorine contact tanks;large eddy simulation;solute dispersion;numerical simulation * 国家自然科学基金资助项目 51309002， 41201017 ; 安徽理工大学青 年教师科学研究基金资助项目 2012QNY24 。 收稿日期 2013 －11 －14 0引言 自来水在流经接触池时， 须投加消毒剂以杀灭水 中致病微生物， 保证饮用水安全。目前最广泛应用的 消毒方法为氯消毒， 此方法通过在前构筑物的出水中 投加液氯或氯盐， 然后在氯接触池内停留一定时间， 从而达到消毒的目的。氯接触池的水力特性是影响 消毒效果和消毒副产物生成量的主要因素之一［1- 2 ］。 常用的氯接触池水力特性研究方法， 包括示踪实验法 和数值模拟方法， 通过示踪实验可以测定氯接触池的 水力停留时间分布函数， 但费时费力， 而且有时受限 于现场条件可能无法实现。而基于计算流体力学的 数值模拟方法可以精确、 直观地得出氯接触池的流场 结构， 揭示出物理模型实验难以给出的信息， 如局部 回流与短路流形态、 单个颗粒停留时间和运行轨迹 等。目前， 国内外学者对氯接触池内水流流动和示踪 剂扩散的研究尚不多见， 且这些数值计算一般是采用 标准 k － ε 湍流模型 ［3- 7 ］。标准 k － ε 湍流模型多年来 已得到广泛应用， 大量的预报及其与实验结果的对照 表明， 该模型适合完全湍流的高雷诺数流动过程模 拟， 而对于低雷诺数流动则遇到较大问题［8- 9 ］。氯接 触池内水流流速较小， 其流动一般为低雷诺数流动， 因此采用标准 k － ε 湍流模型可能会产生较大误差。 针对此问题， 本文尝试采用大涡模拟 LES 来计算氯 接触池内水流和溶质的运动过程， 并与已有的标准 k － ε 湍流模型计算结果以及实测结果相比较， 研究 11 水污染防治 Water Pollution Control 大涡模拟对氯接触池溶质输运计算的适用性。 1数学模型 对不可压缩流的连续性方程、 动量方程和溶质 示踪剂 输运方程进行空间滤波后得到大涡模拟控 制方程 ［10 ］见式 1 式 3 。 珔ui x i 0 1 珔ui t 珔uj 珔ui x j － 1 ρ 珋p x i ν2珔ui－ τ ij x j 2 C － t 珔ui C － x i  x i ν νt S c C － x [] i 3 式中 带 “－ ” 的物理量表示滤波后得到的大尺度量; ui为 xi方向的速度， i 1， 2， 3; t 为时间; p 为动水压 强; ρ 为水的密度; ν 为水的运动黏性系数; C 为污染 物浓度; Sc为施密特数， 取值 0. 5［11 ］ ; τ ij为亚格子应力 张量， 定义为 τ ij uiuj － 珔ui珔uj， 本文采用 Smagorinsky- Lilly 亚网格模型对其计算， 如式 4 所示 τ ij－ 1 3 τ kkδij － 2νtS － ij － νt 珔ui x j 珔uj x i 4 式中 νt为亚格子涡黏系数， 采用式 5 计算 νt L2s2S － ijS － 槡 ij 5 式中 Ls min κd， CsV1/3 ， 卡门常数 κ 取0. 42， d 为 到最近壁面的距离， V 为计算控制体体积。Smagorinsky 常数 Cs取 0. 1。 2数值解法及边界条件 2. 1物理模型 为了较好地对比和验证模拟结果， 本文模拟的氯 接触池为 Shiono 和 Teixeira 在 2000 年实验研究 过 ［12 ］， 并在此后被多人数值模拟过的氯接触池物理 模型 ［3- 5 ］。此模型几何比尺为 1∶ 8的物理模型接触池 总长 1. 995 m， 宽 0. 94 m， 接触池被隔板分割为 8 个 隔室， 水流通过与隔室 1 上部进口相连的水槽进入接 触池， 实验中水流流量保持在 1. 17 L/s， 接触池内水 深为 0. 536 m， 水流最后从隔室 8 的上部缺口流出， 接触池模型的平面结构如图 1 所示。 2. 2计算方法 本文采用结构化网格剖分计算区域， 共生成网格 单元 29 万个。在计算中采用有限体积法离散控制方 程组， 压力 － 速度耦合方程采用 SIMPLE 算法进行求 解。为了尽量减少数值耗散和避免数值振荡引起的 计算误差， 本文对溶质输运方程对流项采用了 QUICK 格式离散 ［1 ］。 图 1氯接触池的平面示意 Fig．1Plan view of simulated contact tank 2. 3边界条件 对于水流运动， 水流进口边界设定为均匀分布的 速度进口边界条件， 速度大小根据水流流量和进口面 积计算; 计算域上表面为自由水面， 采用刚盖假定计 算， 即在此边界上垂向流速为零， 其他所有变量的法 向梯度为零; 接触池外围边壁、 底部及挡板等处均为 固壁， 在这里采用无滑移边界条件， 并采用壁面函数 法处理近壁湍流; 水流出口边界采用自由出流边界条 件， 即此边界上所有变量根据临近的计算域内部变量 外推得到。对于污染物扩散， 在固壁和水面处应用零 通量条件; 在进口和出口边界设定污染物浓度梯度为 零。当水流流场计算结果收敛之后再开始一并进行 溶质扩散的非定常计算， 初始时刻， 根据示踪试验中 瞬时投放示踪剂的质量设定在接触池进口上游的水 槽某一断面所在的网格单元的溶质浓度， 其他区域浓 度设为零。 3计算结果 3. 1流速分布对比 图 2 为隔室 5 某过水断面上纵向流速的横向分 布， 其中负值表示向后的纵向流速， 负值所在区对应 隔板后的回流区， 判断接触池水动力学模型计算准确 度的一个重要指标就是该数学模型能否较好地重现 接触池内的回流区。从图 2 可以看出 本文模拟的结 果与 Shiono 和 Teixeira 的实验结果吻合良好， 计算的 回流区宽度与实测的基本一致， 本文计算结果与实验 结果的差别主要表现在中部， 在这个区间流速分布的 实测值比本文计算值的变化更强烈， 本文的计算结果 比文献［ 4］ 中 Gualtieri 采用标准 k － ε 湍流模型的计 算结果更接近实验结果。 3. 2浓度变化过程对比 图 3 为瞬时投放溶质在隔室 4 和隔室 5 过水断 面的溶质浓度随时间变化过程。由图 3 可知 本文计 21 环境工程 Environmental Engineering 图 2纵向速度对比 Fig． 2Comparison of longitudinal velocity 算结果与实验结果十分接近， 计算值较为准确地模拟 了浓度分布的峰值， 两者的半峰宽大致相等， 对比 Gualtieri 的计算结果可看出， 本文的计算结果与实验 结果更吻合。 图 3过流曲线对比 Fig． 3Comparison of flow- through curves 3. 3浓度分布对比 图 4 为大涡模拟模型和标准 k － ε 湍流模型计算 下投放示踪剂后 400 s 时刻溶质浓度在氯接触池中 间水平截面上的分布。可见两者的浓度分布特点存 在明显差异 由于标准 k － ε 湍流模型为雷诺时均模 拟， 在本氯接触池中计算得到的不同时刻的流场变化 极小， 因此计算的浓度分布较平滑、 均匀; 大涡模拟是 对在流体运动和溶质扩散中起主要作用的大尺度旋 涡进行直接非定常计算， 对小涡进行概化， 可模拟出 溶质随大涡的对流扩散， 因此计算的浓度分布局部非 均匀性较大， 能更好地重现溶质在回流区的停留以及 溶质在湍流猝发和流速脉动影响下的优先推进。 图 4浓度平面分布 Fig．4Distribution of the solute concentration 4结论 本文建立了氯接触池内水流运动和溶质输运的 的大涡模拟数学模型， 并用实测的流速分布和溶质浓 度变化过程进行验证， 数值模拟结果与实测值吻合良 好， 特别是通过直接非定常计算大尺度旋涡而较好地 再现了接触池内存在的回流与溶质分布的局部非均 匀性， 表明所采用的数学模型以及求解方法是合理可 行的， 而且计算的精确度较 Gualtieri 采用标准 k － ε 湍流模型的计算结果更高。基于本文建立的数学模 型可以进一步优化接触池的结构设计， 提高其处理 效率。 参考文献 ［1］王虹， 邵学军， Falconer Ｒ A． 涡粘性模型和对流项差分格式对 溶质输运模拟精度影响研究［J］． 水动力学研究与进展， 2004， 9 1 92- 97. ［2］王虹， 邵学军， Falconer Ｒ A． 氯接触池中溶质输移与消毒过程 的数值模拟［ J］ ． 清华大学学报． 自然科学版， 2004， 44 6 797- 800. 下转第 18 页 31 水污染防治 Water Pollution Control 标准， 但是由于废水的难降解特性， 仍有很大一部分 痕量有机污染物进入河流， 影响受纳水体的水质安 全。这些污染物对水体污染程度的定量表述和结果 需要进一步研究。 参考文献 ［1］林建宁． 2010 年医药经济运行分析暨 2011 年预测 ［J］ ． 今日 医药， 2011， 21 5 261- 264. ［2］环境保护部． 环保部挂牌督办 10 家药企， 80 企业被曝直排 废物［ J］ ． 水工业市场， 2012 1 2. ［3］刘锐，范举红，穆春芳，等． 制药废水的可生物降解性与生物 毒性研究［J］ ． 生态毒理学报， 2011， 6 5 485- 490. ［4］祁佩时， 李欣， 韩洪彬，等． 复合式厌氧 － 好氧反应器处理制 药废水的试验研究 ［J］． 哈尔滨工业大学学报，2004 6 1721- 1723. ［5］Chen Z B，Ｒen N Q，Wang A J，et al． A novel application of TPAD- MBＲ system to the pilot treatment of chemical synthesis- based pharmaceutical wastewater［ J］． Water Ｒesearch，2008，42 13 3385- 3392. ［6］黎永坚，胡晓东，熊紫娟，等． 高浓度氨氮对 SBＲ 工艺处理制 药废水的影响［ J］ ． 中国给水排水， 2009， 25 13 92- 94. ［7］胡晓东． 制药废水处理技术及工程实例［ M］ ． 北京 化学工业出 版社， 2008 3- 5. ［8］MirandaGSY， SivadasM．Biologicaltreatmentofa pharmaceutical wastewater［J］． Biological Wastes， 1989， 29 4 299- 311. ［9］王淑利，于恒雷，官启义，等． USFB － 气浮 － 兼氧 － 接触氧化 工艺处理高浓度制药废水 ［J］． 给水排水， 2009， 35 8 57- 59. ［ 10］邢书彬，任立人． 制药工业废水污染控制技术研究［J］ ． 节能 减排， 2009， 17 3/4 16- 18. ［ 11］郭伟，何孟常，杨志峰，等． 大辽河水系表层沉积物中石油烃 和多环芳烃的分布及来源［ J］ ． 环境科学学报， 2007， 27 5 824- 830. ［ 12］张秀芳，全燮，陈景文，等． 辽河中下游水体中多氯有机物的 残留调查［ J］． 中国环境科学， 2000， 20 1 31- 35. ［ 13］张峥， 彭跃，卢雁， 等． 辽河水体有机污染来源判别［J］． 环境 科学与管理， 2011， 36 1 19- 21. ［ 14］付毓，赵丽娟，孙仓． 辽河流域生物体中有机物的污染状况调 查［ J］ ． 环境保护与循环经济， 2012 11 55- 57. ［ 15］Bayen S． Occurrence，bioavailability and toxic effects of trace metals and organic contaminants in mangrove ecosystemsA review ［J］． Environ Internationa， 2012， 48 84- 101. ［ 16］Mchugh B，Poole Ｒ，Corcoran J，et al．The occurrence of persistent chlorinated and brominated organic contaminants in the EuropeaneelAnguillaanguilla inIrishwaters ［J］． Chemosphere， 2010， 79 3 305- 313. ［ 17］Wang L，Ying G G，Zhao J L，et al． Assessing estrogenic activity in surface water and sediment of the Liao Ｒiver system in northeast Chinausingcombinedchemicalandbiologicaltools ［J］． Environmental Pollution， 2011， 159 1 148- 156． 第一作者 李斌 1987 － ， 男， 硕士， 主要从事水污染化学研究。 通讯作者 刘瑞霞 1963 － ， 女， 研究员， 博士， 主要从事水污染过程 研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 llurx craes． org． cn 上接第 13 页 ［3］Khan L A， Wicklein E A， Teixeira E C． Validation of a three- dimensional computational fluid dynamics model of a contact tank ［ J］． Journal of Hydraulic Engineering， 2006， 132 7 741- 746. ［4］Gualtieri C． Numerical simulation of flow and tracer transport in a disinfection contacttank ［C］ ∥ iEMSs 2006Proceedings． SwitzerlandInternational Environmental Modelling and Software Society， 2006. ［5］Amini Ｒ， Taghipour Ｒ， Mirgolbabaei H． Numerical assessment of hydrodynamic characteristicsinchlorinecontacttank ［J］ ． International Journal for Numerical s in Fluids， 2011， 67 885- 898. ［6］金陶胜， 赵彦琳， 丁南华， 等． 正方形沉淀池内部水流运动模拟 及设计应用［ J］ ． 环境工程， 2012， 30 3 12- 14. ［7］杨玲霞， 郭佩佩， 范如琴． 平流沉淀池紊流流场的数值模拟 ［ J］． 环境工程， 2008， 26 4 87- 88， 93. ［8］华祖林． 湍流模型在环境水力学研究中的应用［J］ ． 水科学进 展， 2001， 12 3 403- 412. ［9］Ｒauen W B， Lin B， Falconer Ｒ A， et al． CFD and experimental model studies for water disinfection tanks with low Ｒeynolds number flows［J］． Chemical Engineering Journal， 2008， 137 550- 560. ［ 10］崔桂香， 许春晓， 张兆顺． 湍流大涡数值模拟进展［J］． 空气动 力学学报， 2004， 22 2 121- 129. ［ 11］Tominaga Y， Stathopoulos T． Turbulent schmidt numbers for CFD analysis withvarioustypesofflowfield ［J］ ． Atmospheric Environment， 2007， 41 37 8091- 8099. ［ 12］Shiono K， Tira E C．Turbulent characteristics in a baffled contact tank［J］． Journal of Hydraulic Ｒesearch， 2000， 38 6 403- 416. 第一作者 肖柏青 1980 － ， 男， 讲师， 博士， 主要研究方向为环境水力 学。baiqingx126． com 81 环境工程 Environmental Engineering