一种CFD折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用

本发明涉及絮凝动力学仿真，具体是一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用。

背景技术：

1、随着城市建设的不断扩张，人民生活水平的提高，水资源的供需问题日趋突出，水环境治理状况频出，水生态退化严重。在全球环境新形势的影响下，提高水资源的利用率是先务之急。

2、水环境领域的研究致力于利用科技手段对水资源进行统筹管理，并促进水资源的可持续利用。因此，如何更好的优化现有的水资源管理手段，成了当前研究的重中之重。

3、供水厂是城镇水循环系统的重要组成部分，其通过对水源水进行集中处理，为生产生活提供安全可靠的水。给水处理的过程一般包括混凝、沉淀、过滤、消毒。在混凝过程中，原水中的胶体与悬浮物将与混凝剂进行反应，产生絮凝体，沉淀步骤将通过重力将这些絮凝体分离，随后，过滤步骤将进一步滤除杂物，最终通过消毒剂消毒后的水将通过管道送到千家万户。在这些过程内部，往往需要投加大量的化学药剂(混凝剂、消毒剂等等),加上原水组分特征复杂多变，工艺单元涉及的物化反应将多且复杂。此外，处理工艺单元之间关系紧密，导致不同净水过程可能存在相互影响。上述问题给供水厂运行监测、分析、优化带来了巨大挑战。

4、computat i ona l f l u i d dynami cs(cfd)即计算流体动力学,是流体力学的一个分支,利用离散数学和计算机等技术,通过设定边界条件和划分网格对流体进行模拟；在时间和空间上定量求解得到描述流场的数值解,用于分析和解决实际问题。近年来,得益于计算机技术的发展，cfd技术在水处理絮凝动力学中的应用逐渐被重视,模拟的对象由简单的单向流、烧杯实验(水力桨板)向复杂的多向流、实际工程应用中的各种絮凝池发展,加之多种物理、化学反应模块不断地开发与完善,通过cfd技术来指导絮凝构筑物的设计与建设逐步成为现实,本研究采用的cfd是一款跨平台的有限元分析和求解仿真软件,支持多种类型的物理场仿真模拟其cfd模块在流场计算中表现良好口,综合使用了cfd与电化学的研究也取得一定成效,但是使用cfd对折板絮凝-沉淀池的研究尚缺，故考虑运用于折板絮凝-沉淀池的流态模拟。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案为，一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法，包括以下步骤：

3、s1、根据某市供水厂的cad施工图为基础，建立包含沉淀池的三维几何模型，以模拟折板絮凝-沉淀池合建的水流连续性；

4、s2、根据模拟对象选择添加多物理模型，在建立模型时去除各类附件，只保留池体和折板，得到第一模型；

5、s3、设置边界条件，包括定义入口、出口，并给定相应的已知条件，如压力、流速和分散相浓度等，得到第二模型；

6、s4、将第二模型与水接触的墙面、折板表面采用软件内置的标准壁函数，垂直壁面速度为实际流速，入口输入量为流速、压力及分散相浓度，出口输入量为压力，得到第三模型；

7、s5、对第三模型进行网格划分，设置求解器，将重要部位进行网格加密，求解结果通过给定表达式进行输出，得到第四模型。

8、进一步，所述步骤s2中取出的附件包括排泥管、阀门和阀件等，组件和内容物进行材料填充包括池体采用混凝土，内容物为水，水的各项参数值采用污水值，所述物理场选择湍流(rea l i zab l e k-ε)。

9、进一步，所述步骤s3中设置液体进出口，设置液体进口为絮凝池实际进口速度，压力为一个大气压，其余边界为无滑移壁面条件，并确定流体的物理性质(流体的动力黏度，密度等属性)，作为流体模拟之前的边界条件。

10、进一步，所述第二模型的各项参数包括待优化供水厂折板絮凝-沉淀池的局部尺寸、进出水口径、折板絮凝池的絮凝效果，出水水质，后端滤池负荷等。

11、进一步，所述步骤s5中流场通过彩虹图输出流速大小，絮凝沉淀效果，所述步骤s5中操作模式包括出水计算，过程流场和构筑物断流死区以及产生的涡流现象。

12、进一步，所述步骤s1中三维几何模型的建立方法包括：根据污水生物处理系统各构筑物尺寸以及位置分布，使用软件几何部分建立三维几何模型，所述关键部分为某市供水厂为准，与实际相结合。

13、进一步，所述步骤s2中取出的附件包括排泥管、阀门和阀件等，组件和内容物进行材料填充包括池体采用混凝土，内容物为水，水的各项参数值采用污水值，所述物理场选择湍流(real izab le k-ε)。

14、进一步，所述步骤s4中流速采用设计流速，全局设置g＝9.8m/s2的重力场，所述步骤s4中若各项参数模拟结果不满足要求，则通过调整第二模型的各项参数并重复步骤s1至s4，使流态数值模拟结果满足流态要求。

15、进一步，所述步骤s4中若浓度数值模拟结果不满足要求，则通过调整第四模型的各项参数并重复步骤s1至s4，使浓度数值模拟结果满足变化范围要求。

16、一种cfd折板絮凝-沉淀池模型建立方法的应用，以计算机系统为平台，包括以下步骤：

17、s1、建立三维几何模型；

18、s2、物理场选择湍流(real izab le k-ε)，然后模拟平面和圆形射流的扩散速度；

19、s3、确定边界条件，折板絮凝-沉淀池中连续进水，设置液体进出口；

20、s4、物理场设置混合物黏度模型，所述混合物黏度模型选用kr ieger模型；

21、s5、将建立好的三维几何模型的计算域进行网格化处理，进行网格加密；

22、s6、求解模型，采用静态分离求解器求解湍流；

23、s7、在流态确定后，对混合物模块进行瞬态的求解，求解完成后对模型计算结果导出并进行分析；

24、s8、通过流态模拟优化后，根据工艺流程，进行生物反应动力学方面的优化，以使折板絮凝-沉淀池实现出水水质满足排放标准。

25、本发明与现有的技术相比的优点在于：

26、1.本发明提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用，基于cfd模型，能够对折板絮凝-沉淀池过程进行细致的模拟和分析。通过建立三维几何模型以及添加多物理模型，可以准确描述折板絮凝-沉淀池中的水力特性、絮凝沉淀等关键过程。这样可以更全面地理解絮凝沉淀过程中各种物质的行为和变化规律，为优化设计和运行提供科学依据；

27、2.本发明提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用，cfd模拟方法可以研究和优化供水厂处理系统中各构筑物的水力特性。通过对供水厂处理系统中的絮凝混合过程和流态分布进行模拟分析，可以发现并解决短流、死区等问题。优化构筑物的设计和布置，改善流体的分布和混合情况，可以提高污水处理系统的处理效果和稳定性；

28、3.本发明提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用，利用絮凝动力学-cfd模型进行仿真模拟可以减少试验的时间和成本，降低实验风险。同时，仿真模拟可以对不同处理方案进行预测和评估，降低了实际试验的依赖性，提供了更快速和经济有效的决策支持；

29、4.本发明提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用，基于cfd模拟模型的方法相比传统的经验模型和试验方法，可以节约大量的试验成本和时间。通过模拟分析，可以更准确地了解絮凝处理系统的流态分布、混合情况和反应过程，从而优化设计和运营方案。这样可以降低成本，并提高絮凝处理效果和运行效率；

30、5.本发明提供一种cfd折板絮凝-沉淀池模型的建立方法及其应用，通过模拟仿真可以预测不同处理方案的效果，帮助决策者进行科学决策，可以通过输出流速大小、涡流现象和产生的涡流等结果来评估系统的运行情况，并为优化设计和改进提供指导。这样可以帮助决策者选择最优方案，提高絮凝效率和性能。