CN112036094A - 基于cfd技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法、系统及存储介质。该方法包括：建立污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；划定离散区域；对划定离散区域进行网格划分；建立控制方程、湍流模型、多相流模型、多孔介质模型；设定边界条件；设定离散方法；对设定的离散方法进行数值求解，并预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。本发明通过分析厌氧/好氧过渡区域内气液两相的相分布云图及气相速度矢量图，预测氧气的分散状态，针对性优化膜生物处理装置的物理结构，提高污水处理装置的设计生产效率、降低操作成本。
Description
技术领域
本发明涉及船舶生活污水处理装置的结构优化技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法、系统及存储介质。
背景技术
随着海上交通运输业的不断发展，海洋所面临的污染问题日益严重，因此，针对船舶在航运过程中排放的生活污水，世界各国和国际海事组织IMO分别出台了各项法规及标准，且污水的处理排放要求日益严格。集成式船舶生活污水膜生物处理装置便是针对船舶特定的运行环境而发明的一种生活污水处理装置。这种装置利用不同微生物的自然代谢能力来降解废水中的污染物，主要分为上端好氧区域、下端的厌氧区域以及中间的厌氧/好氧过渡区域。在好氧区域的微生物需要大量的氧气用于自身代谢，而恰恰相反，厌氧区域中的微生物却需要完全没有氧气的生存环境。因此，厌氧/好氧的过渡区域是这种集成式处理装置的核心部分，需要隔离氧气，防止上端的氧气向下端厌氧区域扩散，否则一旦大量氧气进入到厌氧区域，其内厌氧微生物就会死亡或停止代谢，反硝化反应即被抑制，无法实现含氮污染物的彻底去除。过渡区域中的斜面式导流板的作用就是阻挡氧气向下扩散，其倾斜角度、高度、宽度以及与上部导流圆筒的重叠高度都是装置运行的关键参数。传统的方法中，对这些参数的优化主要采取建造反应装置-实际运行获取处理效果-反馈数据-调整结构参数再建造反应装置的流程，鉴于微生物生长周期长的特点，这一流程耗时长，且仅仅根据出水处理效果调整结构，不具备针对性，导致重复操作，效率低。因此，有必要发明一种方法，在集成式船舶生活污水膜生物处理装置建造生产之前，基于CFD技术，对过渡区域的氧气分散状态进行数值模拟，根据预测的数值判断厌氧区和好氧区的分离程度，以便随时有针对性地优化斜面式导流板的各个参数，提高污水处理装置的设计和生产效率，降低操作成本。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法、系统及存储介质。本发明主要利用数值计算的方法对装置的厌氧/好氧过渡区域内的氧气分布进行仿真模拟，根据预测结果优化装置结构。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，所述方法包括：
S1、建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
S2、基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
S3、基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
S4、建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
S5、基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
S6、基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
S7、基于所述设定的离散方法，进行数值求解；
S8、基于所述求解的数值，预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
进一步地，所述步骤S1中建立的物理模型为三维模型，包括曝气装置、斜面式导流板、导流圆筒、膜组件、出水管、好氧区域和厌氧/好氧过渡区域。
进一步地，所述步骤S2中划定物理模型中的离散区域包括：膜组件、好氧区域和厌氧/好氧过渡区域，其中，好氧区域和厌氧/好氧过渡区域设定为气液混合区域，膜组件设定为多孔介质区域。
进一步地，所述步骤S3中基于所述划定的离散区域，进行网格划分，包括：采用六面体、锥形及楔形混合的网格结构，按照0.005m～0.015m的尺寸间隔划分体网格，并通过smooth模块提升网格质量。
进一步地，所述步骤S4中建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，具体如下：
所述控制方程为基于压力求解的非稳态控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程，其中：
连续性方程为
式中，ux，uy，uz分别为x，y，z三个方向的速度分量，单位为m/s；t为时间，ρ为密度，单位为kg/m3；
动量方程为
式中，p为静压；τij为应力张量；gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，Fi包含了其它的模型相关源项；
能量方程为
式中，E为流体微团的总能，单位为J/kg，包含内能、动能和势能之和，
hj为组分j的焓，单位为J/kg，定义为
其中Tref＝298.15K；keff为有效热传导系数，单位为W/(m·k),keff＝k+kt,kt为湍流热传导系数；Jj为组分j的扩散通量，Sh为体积热源项；
所述湍流模型的控制方程为：
式中，μl为层流粘性系数；μt为湍流粘性系数，
Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；C1ε、C2ε、C3ε、σk和σε为经验常数；Cμ为湍流常数；有效的黏性系数为μ＝μt+μl；
所述多相流模型为气、液两种物质的欧拉多相流模型，其控制方程为：
式中，
为设定q相的速度；
为p相转移到q相中的质量；
为q相转移到p相中的质量；ρq为q相的密度；αq为q相的黏度；Sq默认为0；
所述多孔介质模型基于膜组件设定，其惯性阻力损失及达西黏性阻力损失的控制方程为：
式中，Dij和Cij分别为黏性阻力和惯性损失系数矩阵，负的动量源项影响多孔介质区域内的压力降，在全部变量的连续方程和运输方程中，瞬态项变为
其中γ为孔隙率。
进一步地，所述步骤S5中设定的边界条件包括速度边界、自由出流边界及壁面边界，其中：
所述厌氧/好氧过渡区域的下端进口设定为速度边界，液相的流速为0.002m/s～0.004m/s；所述膜组件的出口设定为速度边界，膜组件出口液相的流速为-0.05m/s～-0.10m/s；所述曝气装置的上端曝气口设定为速度边界；引入UDF程序来描述曝气过程中曝气速度的变化，设定速度变化的方程为：
其中，v为每个曝气头的曝气速度，单位m/s；t为时间变量，在UDF中对应的宏为DEFINE_PROFILE；
所述物理模型上端出口为自由出流边界，流出的流体占总出流流体的百分比为1；
所述物理模型中剩余其它边界均设定为壁面边界。
进一步地，所述步骤S6中设定的离散方法为一阶迎风的空间离散形式，各项残差收敛值设置为1e-04～1e-03，对所述物理模型下端进口进行初始化设定。
进一步地，所述步骤S7包括：
S71、数值求解，设定时间步长为0.001s～0.01s，进行数值计算，观察各方程迭代计算曲线的变化趋势，判断计算过程的敛散性，调整时间步长、残差收敛值或所述物理模型以保证计算的收敛性；
S72、预测氧气的扩散程度，通过液相的体积分布云图、液相的速度分布云图、气相速度分布矢量图，分析气液两相的混合程度、氧气的传输速度及氧气的传输范围。
一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化系统，所述系统包括：物理模型创建单元、离散区域设置单元、网格划分单元、计算方程创建单元、边界条件设置单元、离散方法设置单元、数值计算单元以及模拟结果分析单元；其中：
所述物理模型创建单元，用于建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
所述离散区域设置单元，用于基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
所述网格划分单元，用于基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
所述计算方程创建单元，用于建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
所述边界条件设置单元，用于基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
所述离散方法设置单元，用于基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
所述数值计算单元，用于基于所述设定的离散方法，进行数值求解；
所述模拟结果分析单元，用于基于所述求解的数值，预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，通过CFD软件能够减少实验时间，同时节省用于真实实验的不同结构装置模型的建造成本；
2、本发明提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，在网格划分阶段，针对不同位置、结构，采取了不同的网格形式，保证了计算精度的同时降低了计算量；
3、本发明提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，引入UDF模型，直观地展示装置好氧区的曝气状态以及在过渡区域中的氧气运行轨迹，直接反映了处理装置的结构缺陷和运行机理，避免了经验化调整装置结构参数造成的损失。
4、本发明提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，引入多孔介质模型，通过改变其控制方程中的黏性阻力损失系数，使其更好地反映膜组件的实际工作状态。
5、本发明提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，引入能够更好地反映气液混合状态的欧拉多相流模型，提高了迭代计算的收敛性。
基于上述理由本发明可在船舶生活污水处理装置的结构优化等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型示意图。
图3为本发明集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧区域液相体积分布云图。
图4为本发明集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧区域液相速度分布云图。
图5为本发明集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧区域气相速度分布矢量图。
图中：1、斜面式导流板；2、曝气装置；3、导流圆筒；4、膜组件；5、好氧区域；6、出水管；7、厌氧/好氧过渡区域。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在集成式船舶生活污水膜生物处理装置的厌氧/好氧过渡区域加入斜面式导流板，以解决上端氧气向下端厌氧区域扩散的问题。导流板的倾斜角度、高度、宽度以及与上部导流圆筒的重叠高度都是装置运行的关键参数，其优化方法的选取直接影响装置生产和运行的效率。因此，为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，通过CFD实现船舶污水处理装置的三维计算模拟，可以快速预测装置内氧气的扩散范围与扩散速度，为装置的结构优化和高效设计生产提供理论依据。
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
如图2所示，步骤S1中建立的物理模型为三维模型，包括曝气装置2、斜面式导流板1、导流圆筒3、膜组件4、出水管6、好氧区域5和厌氧/好氧过渡区域7。集成式膜生物污水处理装置内各流体的基本运行状态为：污水由底部经厌氧区升流进入厌氧/好氧过渡区域7到好氧区域5；气体由曝气装置2产生，与污水掺混后在圆柱形导流圆筒3内、膜组件4表面以及斜面式导流板1表面进行运动，处理后的水沿出水管6抽离至集成式膜生物污水处理装置外。
S2、基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
步骤S2中划定物理模型中的离散区域包括：膜组件4、好氧区域5和厌氧/好氧过渡区域7，其中，好氧区域5和厌氧/好氧过渡区域7设定为气液混合区域，膜组件4设定为多孔介质区域。
S3、基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
步骤S3中基于所述划定的离散区域，进行网格划分，网格划分在CFD软件的前处理软件Gambit中进行，三维模型体积为157L，采用六面体、锥形及楔形混合的网格结构，按照0.01m的尺寸间隔划分体网格，网格数量约为89万，并通过smooth模块提升网格质量。后将划分网格的模型导入CFD软件中，再次对网格进行检查，修复质量较差的网格。
S4、建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
步骤S4中建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，具体如下：
所述控制方程为基于压力求解的非稳态控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程，其中：
连续性方程为
式中，ux，uy，uz分别为x，y，z三个方向的速度分量，单位为m/s；t为时间，ρ为密度，单位为kg/m3；
动量方程为
式中，p为静压；τij为应力张量；gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，Fi包含了其它的模型相关源项；
能量方程为
式中，E为流体微团的总能，单位为J/kg，包含内能、动能和势能之和，
hj为组分j的焓，单位为J/kg，定义为
其中Tref＝298.15K；keff为有效热传导系数，单位为W/(m·k),keff＝k+kt,kt为湍流热传导系数；Jj为组分j的扩散通量，Sh为包括了化学反应热及其他定义的体积热源项；
所述湍流模型的控制方程为：
式中，μl为层流粘性系数；μt为湍流粘性系数，
Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；C1ε、C2ε、C3ε、σk和σε为经验常数；Cμ为湍流常数；有效的黏性系数为μ＝μt+μl；湍流模型忽略分子之间的黏性，应用于模拟完全湍流的流场；湍流模型常量从空气、水的基本湍流试验中获得，取值为：C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3；
所述多相流模型为气、液两种物质的欧拉多相流模型，其控制方程为：
式中，
为设定q相的速度；
为p相转移到q相中的质量；
为q相转移到p相中的质量；ρq为q相的密度；αq为q相的黏度；Sq默认为0；
设置选择污水、空气两种材料，其中污水的材料性质设定为液相；空气性质设定为气相，气泡直径为0.001m；其中液相为主相，气相为辅相。
所述多孔介质模型基于膜组件4设定，其惯性阻力损失及达西黏性阻力损失的控制方程为：
式中，Dij和Cij分别为黏性阻力和惯性损失系数矩阵，负的动量源项影响多孔介质区域内的压力降，在全部变量的连续方程和运输方程中，瞬态项变为
其中γ为孔隙率。将非液相的粘性阻力损失系数调整为1e+15。
S5、基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
步骤S5中设定的边界条件包括速度边界、自由出流边界及壁面边界，其中：
所述厌氧/好氧过渡区域7的下端进口设定为速度边界，液相的流速为0.002m/s；所述膜组件4的出口设定为速度边界，膜组件4出口液相的流速为-0.10m/s；所述曝气装置2的上端曝气口设定为速度边界；引入UDF模型来描述曝气过程中曝气速度的变化，设定速度变化的方程为：
其中，v为每个曝气头的曝气速度，单位m/s；t为时间变量，在UDF模型中对应的宏为DEFINE_PROFILE；
所述物理模型上端出口为自由出流边界，流出的流体占总出流流体的百分比为1；
所述物理模型中剩余其它边界均设定为壁面边界。
S6、基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
步骤S6中设定的离散方法为一阶迎风的空间离散形式，各项残差收敛值设置为1e-03，时间步长选定为0.01s，对所述物理模型下端进口进行初始化设定。
S7、基于所述设定的离散方法，进行数值求解，并预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
所述步骤S7包括：
S71、数值求解，设定时间步长为0.001s～0.01s，进行数值计算，观察各方程迭代计算曲线的变化趋势，判断计算过程的敛散性，及时调整时间步长、残差收敛值或所述物理模型以保证计算的收敛性；
S72、预测氧气的扩散程度，通过液相的体积分布云图、液相的速度分布云图、气相速度分布矢量图，分析气液两相的混合程度、氧气的传输速度及氧气的传输范围。其中，液相的体积及速度分布云图主要分析气液两相的混合程度；气相速度分布矢量图主要分析氧气的传输速度及氧气的传输范围。
通过观测液相的体积分布情况及气相速度矢量传输状态，进一步地掌握氧气在整体模型中的流态及变化趋势。
数值预测模拟结果如图3和图4所示，直观地展现了气液混合程度及氧气的传质效果，斜面式导流板促进了曝气产生的氧气在上端好氧区5中的均匀分布；同时膜组件4的底部区域氧浓度较大，利于其上好氧微生物膜的快速形成；氧气沿斜面式导流板1的斜面出现了向下扩散的现象，但在厌氧/好氧过渡区7的最下端氧气所占比例有所降低。
气相速度矢量的变化如图5所示，直观地展现了氧气的运动速度，曝气产生的氧气以相对较高的速度沿膜组件4表面向上提升，最终从模型顶端流出，同时，斜面式导流板1起到了阻挡氧气向下快速扩散的作用，氧气撞击在斜面处被反弹向上的趋势非常明显。
分析数值模拟的结果可知，集成式船舶生活污水膜生物处理装置内的厌氧和好氧区实现了初步分离，后续可根据此模拟结果，调整模型中斜面式导流板的倾斜角度和垂向高度，进一步优化物理装置，以便进一步增大好氧区和厌氧区的分离程度。
对应本申请中的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，本申请还提供了一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化系统，包括：物理模型创建单元、离散区域设置单元、网格划分单元、计算方程创建单元、边界条件设置单元、离散方法设置单元、数值计算单元以及模拟结果分析单元；其中：
所述物理模型创建单元，用于建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
所述离散区域设置单元，用于基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
所述网格划分单元，用于基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
所述计算方程创建单元，用于建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
所述边界条件设置单元，用于基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
所述离散方法设置单元，用于基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
所述数值计算单元，用于基于所述设定的离散方法，进行数值求解；
所述模拟结果分析单元，用于基于所述求解的数值，预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
对于本发明实施例而言，由于其与上面实施例中相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中部分的说明即可，此处不再详述。
本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机指令集，计算机指令集被处理器执行时实现如上文任一实施例所提供的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
S2、基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
S3、基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
S4、建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
S5、基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
S6、基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
S7、基于所述设定的离散方法，进行数值求解，并预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
2.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S1中建立的物理模型为三维模型，包括曝气装置、斜面式导流板、导流圆筒、膜组件、出水管、好氧区域和厌氧/好氧过渡区域。
3.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S2中划定物理模型中的离散区域包括：膜组件、好氧区域和厌氧/好氧过渡区域，其中，好氧区域和厌氧/好氧过渡区域设定为气液混合区域，膜组件设定为多孔介质区域。
4.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S3中基于所述划定的离散区域，进行网格划分，包括：采用六面体、锥形及楔形混合的网格结构，按照0.005m～0.015m的尺寸间隔划分体网格，并通过smooth模块提升网格质量。
5.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S4中建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，具体如下：
所述控制方程为基于压力求解的非稳态控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程，其中：
连续性方程为
式中，ux，uy，uz分别为x，y，z三个方向的速度分量，单位为m/s；t为时间，ρ为密度，单位为kg/m3；
动量方程为
式中，p为静压；τij为应力张量；gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，Fi包含了其它的模型相关源项；
能量方程为
式中，E为流体微团的总能，单位为J/kg，包含内能、动能和势能之和，
hj为组分j的焓，单位为J/kg，定义为
其中Tref＝298.15K；keff为有效热传导系数，单位为W/(m·k),keff＝k+kt,kt为湍流热传导系数；Jj为组分j的扩散通量，Sh为体积热源项；
所述湍流模型的控制方程为：
式中，μl为层流粘性系数；μt为湍流粘性系数，
Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；C1ε、C2ε、C3ε、σk和σε为经验常数；Cμ为湍流常数；有效的黏性系数为μ＝μt+μl；
所述多相流模型为气、液两种物质的欧拉多相流模型，其控制方程为：
式中，
为设定q相的速度；
为p相转移到q相中的质量；
为q相转移到p相中的质量；ρq为q相的密度；αq为q相的黏度；Sq默认为0；
所述多孔介质模型基于膜组件设定，其惯性阻力损失及达西黏性阻力损失的控制方程为：
式中，Dij和Cij分别为黏性阻力和惯性损失系数矩阵，负的动量源项影响多孔介质区域内的压力降，在全部变量的连续方程和运输方程中，瞬态项变为
其中γ为孔隙率。
6.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S5中设定的边界条件包括速度边界、自由出流边界及壁面边界，其中：
所述厌氧/好氧过渡区域的下端进口设定为速度边界，液相的流速为0.002m/s～0.004m/s；所述膜组件的出口设定为速度边界，膜组件出口液相的流速为-0.05m/s～-0.10m/s；所述曝气装置的上端曝气口设定为速度边界；引入UDF模型来描述曝气过程中曝气速度的变化，设定速度变化的方程为：
其中，v为每个曝气头的曝气速度，单位m/s；t为时间变量，在UDF模型中对应的宏为DEFINE_PROFILE；
所述物理模型上端出口为自由出流边界，流出的流体占总出流流体的百分比为1；
所述物理模型中剩余其它边界均设定为壁面边界。
7.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S6中设定的离散方法为一阶迎风的空间离散形式，各项残差收敛值设置为1e-04～1e-03，对所述物理模型下端进口进行初始化设定。
8.根据权利要求1所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法，其特征在于，所述步骤S7包括：
S71、数值求解，设定时间步长为0.001s～0.01s，进行数值计算，观察各方程迭代计算曲线的变化趋势，判断计算过程的敛散性，调整时间步长、残差收敛值或所述物理模型以保证计算的收敛性；
S72、预测氧气的扩散程度，通过液相的体积分布云图、液相的速度分布云图、气相速度分布矢量图，分析气液两相的混合程度、氧气的传输速度及氧气的传输范围。
9.一种基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化系统，其特征在于，所述系统包括：物理模型创建单元、离散区域设置单元、网格划分单元、计算方程创建单元、边界条件设置单元、离散方法设置单元、数值计算单元以及模拟结果分析单元；其中：
所述物理模型创建单元，用于建立所述集成式膜生物污水处理装置中厌氧/好氧分离区域的物理模型；
所述离散区域设置单元，用于基于建立的物理模型，划定物理模型中的离散区域；
所述网格划分单元，用于基于所述划定的离散区域，进行网格划分；
所述计算方程创建单元，用于建立控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型；
所述边界条件设置单元，用于基于所述建立的控制方程、湍流模型、多相流模型以及多孔介质模型，设定边界条件；
所述离散方法设置单元，用于基于所述设定的边界条件，设定离散方法；
所述数值计算单元，用于基于所述设定的离散方法，进行数值求解；
所述模拟结果分析单元，用于基于所述求解的数值，预测氧气在好氧区域和厌氧/好氧过渡区域内的分布特征，判断好氧区域和厌氧区域的分离程度，优化膜生物处理装置的物理结构。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于CFD技术的集成式船舶生活污水膜生物处理装置优化方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN117131806A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-11-28 | 南京信息工程大学 | 一种基于cfd的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110118639A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-08-13 | 华中科技大学 | 一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统 |
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|---|
| 朱昆鹏: "集成式MBR船舶生活污水处理装置CFD设计及优化", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, no. 1, 15 January 2018 (2018-01-15), pages 036 - 99 * |
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| CN117131806A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-11-28 | 南京信息工程大学 | 一种基于cfd的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质 |
| CN117131806B (zh) * | 2023-09-11 | 2024-02-02 | 南京信息工程大学 | 一种基于cfd的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质 |
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