【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仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 概述

世界任何國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,都會推向社會進(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,但是也隨之帶來不同程序的環(huán)境污染。污水也是造成環(huán)境污染的來源之一。這個污染源的出現(xiàn)引起了世界各國政府的關(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通過模擬設(shè)備內(nèi)流動情況、懸浮物濃度分布以及停留時間等因素能夠為污水處理設(shè)備的設(shè)計研發(fā)和運行管理提供依據(jù),以及污水排放是否超過水體的自身凈化能力。

污水處理行業(yè)主要設(shè)備分類: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:流量分配問題,實現(xiàn)均勻的流動分布
● 管道和設(shè)備壽命:水錘,振動與載荷
● 泵的型號,設(shè)計,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

● 客戶需求的變化

對自來水公司的壓力不斷增加,要求提供解決方案,同時滿足股東的目標(biāo)

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

● 需要新穎的設(shè)計,以提高現(xiàn)有設(shè)備性能

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

● 要求獲得EA驗收來說服客戶

技術(shù)優(yōu)勢
日益增長的CFD分析不斷增加了客戶的需求水平

4. ANSYS Fluent解決方案

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污水處理流程

隨著計算機(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)過篩、除油、一級沉淀、ASM、二級沉淀、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、反應(yīng)或傳熱仿真,為設(shè)備設(shè)計或水質(zhì)檢測提供可靠的仿真結(jié)果。

4.1 水源管理(如儲水庫)

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儲水庫三維模型儲水庫內(nèi)流動速度云圖

ANSYS Fluent提供的湍流模型,對儲水庫內(nèi)流體流動狀態(tài)進(jìn)行仿真分析,能夠反映真實的流動狀態(tài),因此確定是否存在短路循環(huán)區(qū)域(流動死區(qū)域),為模型設(shè)計提供指導(dǎo)思路,并且可以為實驗確定水質(zhì)檢測點。

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。基于CFD分析設(shè)計有效地去除懸浮物,如固體微粒和油;基于CFD流動分析預(yù)測有助于很好的理解系統(tǒng)設(shè)計是如何影響工藝設(shè)計的初級和次級流動模式。

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

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截面上速度云圖和流動軌跡

4.3 活性污泥處理技術(shù)(ASM)

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

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4.4 污水處理攪拌機(jī)

對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針對不同工況條件進(jìn)行流動仿真分析,分析了流場的宏觀規(guī)律、速度特性,并與實驗過程進(jìn)行對比。從x-y曲線圖可以看出,懸浮液固體濃度的仿真結(jié)果在徑向方向上與實驗結(jié)果的趨勢一致,且非常接近。因此ANSYS Fluent能夠反映出不同工況下攪拌的程度。

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實驗結(jié)果 CFD結(jié)果實驗結(jié)果 CFD結(jié)果
單個攪拌葉輪同軸兩個攪拌葉輪

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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

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泵的特性曲線

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葉片周圍流體速度矢量圖

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壓力分布(Pb = 600 kPa)

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氣體體積分?jǐn)?shù)(Pb = 350 kPa,反映氣蝕大小)

污水處理廠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,研究顆粒雜質(zhì)對葉片的沖刷損害,以及氣蝕的影響。因此幫助我們進(jìn)行泵體葉片的設(shè)計以及選定運行工況。

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。