搜索【行業應用】ANSYS Fluent在污水處理行業的解決方案
2017-01-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
1. 概述
世界任何國家的經濟發展,都會推向社會進步、促進工農業生產能力得到提高,使人民生活得到進一步改善,但是也隨之帶來不同程序的環境污染。污水也是造成環境污染的來源之一。這個污染源的出現引起了世界各國政府的關注,治理水污染環境的課題被列入世界環保組織的工作日程。ANSYS Fluent通過模擬設備內流動情況、懸浮物濃度分布以及停留時間等因素能夠為污水處理設備的設計研發和運行管理提供依據,以及污水排放是否超過水體的自身凈化能力。
污水處理行業主要設備分類:離心機、污泥脫水機、曝氣機、微濾機、氣浮機等。
2. 污水處理行業存在的問題
● 曝氣:氣泡分布,以達到更好的結垢性能
● 渠道與管道:流量分配問題,實現均勻的流動分布
● 管道和設備壽命:水錘,振動與載荷
● 泵的型號,設計,氣蝕和渦流
● 化學反應研究
● 產品性能優化
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
驅動改進現有設備和系統的效率。
● 需要新穎的設計,以提高現有設備性能
了解操作的現有模式以及測試設計變更和改進
施工前需要證明運行性能
● 要求獲得EA驗收來說服客戶
技術優勢
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
污水處理流程
隨著計算機技術和數值仿真技術的不斷發展,在污水處理的各個環節,大量的CFD仿真分析得到應用。從以上流程中可以看出,從初始CSO環節經過篩、除油、一級沉淀、ASM、二級沉淀、UV反應器等一系列環節,都可以采用ANSYS Fluent進行流動、反應或傳熱仿真,為設備設計或水質檢測提供可靠的仿真結果。
4.1 水源管理(如儲水庫)
儲水庫三維模型 儲水庫內流動速度云圖
ANSYS Fluent提供的湍流模型,對儲水庫內流體流動狀態進行仿真分析,能夠反映真實的流動狀態,因此確定是否存在短路循環區域(流動死區域),為模型設計提供指導思路,并且可以為實驗確定水質檢測點。
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-液分離的設備。該裝置通過高壓回流溶氣水減壓產生大量的微氣泡,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,進行固-液或液-液分離。廣泛應用于工業廢水處理。基于CFD分析設計有效地去除懸浮物,如固體微粒和油;基于CFD流動分析預測有助于很好的理解系統設計是如何影響工藝設計的初級和次級流動模式。
由Leopold公司構建的DAF樣品(Clari-DAF® 系統)
截面上速度云圖和流動軌跡
4.3 活性污泥處理技術(ASM)
ANSYS Fluent通過加載溶解氧和微生物反應等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,為幾何設計及工況設計提供前期指導。
4.4 污水處理攪拌機
對于液體中含有固體懸浮物的攪拌設備,受懸浮物的濃度、液體粘度、攪拌葉片的形狀以及轉速等多種因素的影響。本案例固體懸浮物體積濃度為12%,轉速分布采用1000rpm和1600rpm,ANSYS Fluent針對不同工況條件進行流動仿真分析,分析了流場的宏觀規律、速度特性,并與實驗過程進行對比。從x-y曲線圖可以看出,懸浮液固體濃度的仿真結果在徑向方向上與實驗結果的趨勢一致,且非常接近。因此ANSYS Fluent能夠反映出不同工況下攪拌的程度。
實驗結果 CFD結果 實驗結果 CFD結果
單個攪拌葉輪 同軸兩個攪拌葉輪
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
泵的特性曲線
葉片周圍流體速度矢量圖
壓力分布(Pb = 600 kPa)
氣體體積分數(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,研究顆粒雜質對葉片的沖刷損害,以及氣蝕的影響。因此幫助我們進行泵體葉片的設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、低導熱性能而達到水純化和溶液濃縮的膜分離技術。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,在膜模塊內可以增加均勻速度區域的大小。
(a)DCMD原理圖 (b)DCMD過程的熱邊界層的溫度云圖微觀CFD仿真分析
壓力分布云圖
(a)沒有擋板結構 (b)有擋板結構宏觀CFD仿真分析
不同流量下壓降性能對比
4.7 污水排放
未經處理的污水直接排放江河湖泊及海洋過程,可以通過ANSYS Fluent模擬污水向江河湖海中的排放過程,可以分析主要污染物在水流過程中的擴散過程和污染物濃度分布情況,為防止污染物超出水體自身凈化能力提供仿真依據。
5. 總結
ANSYS Fluent能夠滿足實際工程的需要,還可以提供更多的流場、溫度場、濃度場信息,與實驗具有相輔相成的作用,可以在污水處理的各個環節進行仿真分析,為污水處理的設計研發提供了參考依據。
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