【行业应用】ANSYS Fluent在污水处理行业的解决方案

2017-01-11  by:CAE仿真在线  来源:互联网



1. 概述

世界任何国家的经济发展,都会推向社会进步、促进工农业生产能力得到提高,使人民生活得到进一步改善,但是也随之带来不同程序的环境污染。污水也是造成环境污染的来源之一。这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注,治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。ANSYS Fluent通过模拟设备内流动情况、悬浮物浓度分布以及停留时间等因素能够为污水处理设备的设计研发和运行管理提供依据,以及污水排放是否超过水体的自身净化能力。

污水处理行业主要设备分类:离心机、污泥脱水机、曝气机、微滤机、气浮机等。


2. 污水处理行业存在的问题

● 曝气:气泡分布,以达到更好的结垢性能

● 渠道与管道:流量分配问题,实现均匀的流动分布
● 管道和设备寿命:水锤,振动与载荷
● 泵的型号,设计,气蚀和涡流
● 化学反应研究
● 产品性能优化


3. 仿真分析的必要性

● 客户需求的变化

对自来水公司的压力不断增加,要求提供解决方案,同时满足股东的目标

驱动改进现有设备和系统的效率。


需要新颖的设计,以提高现有设备性能

了解操作的现有模式以及测试设计变更和改进
施工前需要证明运行性能


要求获得EA验收来说服客户

技术优势
日益增长的CFD分析不断增加了客户的需求水平



4. ANSYS Fluent解决方案


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污水处理流程

随着计算机技术和数值仿真技术的不断发展,在污水处理的各个环节,大量的CFD仿真分析得到应用。从以上流程中可以看出,从初始CSO环节经过筛、除油、一级沉淀、ASM、二级沉淀、UV反应器等一系列环节,都可以采用ANSYS Fluent进行流动、反应或传热仿真,为设备设计或水质检测提供可靠的仿真结果。


4.1 水源管理(如储水库)

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储水库三维模型       储水库内流动速度云图


ANSYS Fluent提供的湍流模型,对储水库内流体流动状态进行仿真分析,能够反映真实的流动状态,因此确定是否存在短路循环区域(流动死区域),为模型设计提供指导思路,并且可以为实验确定水质检测点。


4.2 DAF气浮装置

(Dissolved air flotation)DAF气浮装置是一种用于污水处理的固-液或液-液分离的设备。该装置通过高压回流溶气水减压产生大量的微气泡,使其与废水中密度接近与水的固体或液体微粒粘附,形成密度小于水的气浮体,在浮力的作用下,上浮至水面,进行固-液或液-液分离。广泛应用于工业废水处理。基于CFD分析设计有效地去除悬浮物,如固体微粒和油;基于CFD流动分析预测有助于很好的理解系统设计是如何影响工艺设计的初级和次级流动模式。

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由Leopold公司构建的DAF样品(Clari-DAF® 系统)


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截面上速度云图和流动轨迹


4.3 活性污泥处理技术(ASM)

ANSYS Fluent通过加载溶解氧和微生物反应等UDF的计算,得到池中溶解氧浓度及微生物分布,分析污泥池中流动状态,为几何设计及工况设计提供前期指导。

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4.4 污水处理搅拌机

对于液体中含有固体悬浮物的搅拌设备,受悬浮物的浓度、液体粘度、搅拌叶片的形状以及转速等多种因素的影响。本案例固体悬浮物体积浓度为12%,转速分布采用1000rpm和1600rpm,ANSYS Fluent针对不同工况条件进行流动仿真分析,分析了流场的宏观规律、速度特性,并与实验过程进行对比。从x-y曲线图可以看出,悬浮液固体浓度的仿真结果在径向方向上与实验结果的趋势一致,且非常接近。因此ANSYS Fluent能够反映出不同工况下搅拌的程度。

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实验结果 CFD结果    实验结果  CFD结果
   单个搅拌叶轮     同轴两个搅拌叶轮


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X为径向位置,Z为不同工况下悬浮液的固体浓度分布


4.5 泵的性能及气蚀

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泵的特性曲线


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叶片周围流体速度矢量图


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压力分布(Pb = 600 kPa)


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气体体积分数(Pb = 350 kPa,反映气蚀大小)


污水处理厂所用的泵体一般是处理含有固体颗粒杂质的液体,ANSYS Fluent研究泵的性能,得出压力—流量曲线,研究颗粒杂质对叶片的冲刷损害,以及气蚀的影响。因此帮助我们进行泵体叶片的设计以及选定运行工况。


4.6 Direct Contact Membrane Distillation(DCMD)直接接触式膜蒸馏

直接接触式膜蒸馏利用高分子膜的多孔性、疏水性、低导热性能而达到水纯化和溶液浓缩的膜分离技术。微观的CFD仿真分析表明沿着膜的长度方向和径向方向上的温差大,因此,必须要考虑膜的可靠性。宏观CFD仿真分析表明通过增加半螺旋折流板的布置,在膜模块内可以增加均匀速度区域的大小。


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(a)DCMD原理图 (b)DCMD过程的热边界层的温度云图微观CFD仿真分析

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压力分布云图


(a)没有挡板结构 (b)有挡板结构宏观CFD仿真分析

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不同流量下压降性能对比


4.7 污水排放

未经处理的污水直接排放江河湖泊及海洋过程,可以通过ANSYS Fluent模拟污水向江河湖海中的排放过程,可以分析主要污染物在水流过程中的扩散过程和污染物浓度分布情况,为防止污染物超出水体自身净化能力提供仿真依据。

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5. 总结


ANSYS Fluent能够满足实际工程的需要,还可以提供更多的流场、温度场、浓度场信息,与实验具有相辅相成的作用,可以在污水处理的各个环节进行仿真分析,为污水处理的设计研发提供了参考依据。



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