CN115859869B - 一种基于cfd的搅拌机絮凝分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法及系统，该方法包括：对初始模型进行离散处理，获得处理后的数值模型；对数值模型进行单相定常计算，建立流体控制方程；以流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，建立两相流模型；以流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，建立传热模型；根据两相流模型，获得絮凝池内固液分布情况，根据传热模型获得絮凝池的温度分布情况；根据絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况。本申请可准确的获取絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，为絮凝投放搅拌提供了指导，为合理的分配药剂及实验方法的选择提供了一种新的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌絮凝技术领域，具体涉及一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法及系统。
背景技术
污水处理时，污水中含有较多的细小杂质，絮凝是污水处理的重要步骤，向污水中投放药剂，如PAC,PAM絮凝剂等，进行絮凝处理，以实现污水净化的目的，絮凝剂与被处理污水的混合均匀性直接影响到絮凝的最终效果。
现有的技术是在絮凝剂与污水的混合液中使用搅拌器进行搅拌，使絮凝剂和污水充分混合。
现有的处理效果模拟方法较为落后，很难针对不同药剂进行细节处准确的模拟，大多直接通过实验直接测算其的最终效果，或通过CFD的模拟进行相对准确的试验前的简单模拟，大多采用固液两相流的方式进行模拟，如采用水与沙子等固液两相，但此方式忽略了现实实验中，絮凝剂与被处理水的相溶影响，无法准确的对现实实验中所遇情形进行最仿真模拟。且往往只是对模型出口处的流速等相关数据进行测算，来反映药剂的混合效果，无法更加准确的了解到其匀质化的程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法及系统，以解决现有技术中絮凝搅拌仿真分析准确度差、无法准确了解其匀质化的问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明公开了一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，包括：
对絮凝池及絮凝池中搅拌用水力设备进行建模，获得设备初始模型；
对所述初始模型进行离散处理，获得处理后的数值模型；
对所述数值模型进行单相定常计算，建立流体控制方程；
以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，建立两相流模型；
以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质，建立传热模型；
根据两相流模型，获得絮凝池内固液分布情况，根据传热模型获得絮凝池的温度分布情况；
根据絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，对絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，获得絮凝搅拌效果的评判标准。
进一步地，还包括：
根据絮凝池的温度分布情况获取絮凝池出口面的平均温度；
根据不同搅拌机转速下絮凝池出口面的平均温度拟合出转速-出口面温度方程。
进一步地，所述转速-出口面温度方程的表达式为：
；
其中：=308.59954，=-0.00448，=6.10612E-6，=-4.148E-9，=9.99287E-13；X为搅拌机转速，E代表指数。
进一步地，所述两相流模型中固相成分的受力平衡方程为：
；
其中，和分别为流体相速度和固体颗粒速度，为单位质量颗粒所受到的阻力，和分别为流体密度和固体颗粒密度，为附加质量力，流场压力梯度引发的附加力，为颗粒所受其他外力的合力，为重力，为颗粒的平均直径。
进一步地，所述传热模型中热流体总换热量Q1的计算公式为：
；
其中，m为流体质量，为流体介质的定压比热容冷，为第二温度液体介质的温度，=100，为第一温度液体介质的温度，=25。
进一步地，所述传热模型中流体微团的导热公式Q2为：
；
其中，为温差，R为导热热阻，λ为导热系数，S为接触面积，L为微团厚度。
进一步地，所述在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质为：在25℃的常温液体介质的进口基础上添加100℃的液体介质。
进一步地，所述获得絮凝搅拌效果的评判标准包括：
对不同搅拌机转速、不同搅拌机型号以及不同搅拌机布置方式下絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，将获得的结果作为絮凝搅拌效果的评判标准。
进一步地，所述建立流体控制方程中数值计算的残差收敛精度低于1.0×10-4。
第二方面，本发明还公开了一种基于CFD的搅拌机絮凝分析系统，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面任一项所述方法的步骤。
根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：
1、本申请通过在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，建立两相流模型，在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质，建立传热模型，可针对搅拌机絮凝剂的不同，进行对比分析，针对不同的环境，采用固液模拟，传热模拟等来现实污水处理絮凝剂投放后，絮凝剂在搅拌机的作用下，与被处理水的混合程度；在现有实验前模拟的不足上，进行了重要的改进，可更加精细化的通过CFD的模拟，准确的获取絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，为絮凝投放搅拌提供了指导；
2、本申请通过对初始模型进行离散处理，可解决实验前数据模拟不完善，实验误差分布特征较大的问题，对处理后的数值模型进行单相定常计算，结合添加固相成分的两相流模型及采用不同温度液体介质建立的传热模型，具有可以便捷、客观地反映线下污水处理实验中，絮凝剂与被处理水混合匀质化的程度，为合理的分配药剂及实验方法的选择提供了一种新的解决方案。
附图说明
图1为本发明分析方法的流程图；
图2为本发明中设备初始模型的示意图；
图3为本发明中相同旋转条件下，不同叶片工作面的搅拌机在计算模型出口面的固相均匀性分析示意图；
图4为本发明中相同旋转条件下，不同叶片工作面的搅拌机在计算模型出口面温度分布的均匀性分析示意图；
图5为本发明不同转速下絮凝池出口面平均温度的拟合曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本申请的方法对现有的分析方法及算法进行改进创新，针对不同的介质环境，比如盐水、清水、热水，投放不同剂量或种类的絮凝剂，得到其匀质化程度，以此来模拟不同剂量及种类絮凝剂的絮凝效果。本申请采用两相流模型和传热模型获得絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，即获得絮凝搅拌效果的评判标准。为絮凝投放提供了指导，本申请还进一步拟合出转速-出口面温度方程，通过该方程可有效的获取在不同搅拌机转速下的出口面的平均温度。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，包括如下步骤：对絮凝池及絮凝池中搅拌用水力设备进行建模，获得设备初始模型；对所述初始模型进行离散处理，获得处理后的数值模型；对所述数值模型进行单相定常计算，建立流体控制方程；以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，建立两相流模型；以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质，建立传热模型；根据两相流模型，获得絮凝池内固液分布情况，根据传热模型获得絮凝池的温度分布情况；根据絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，对絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，获得絮凝搅拌效果的评判标准。
本申请通过在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，建立两相流模型，在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质，建立传热模型，可准确的获取絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，为絮凝投放搅拌提供了指导；结合添加固相成分的两相流模型及采用不同温度液体介质建立的传热模型，具有可以便捷、客观地反映线下污水处理实验中，絮凝剂与被处理水混合匀质化的程度，为合理的分配药剂及实验方法的选择提供了一种新的解决方案。
下面通过具体的步骤对本申请进行说明。
步骤1、通过三维建模软件对絮凝池及池中搅拌用的水力设备进行计算域模型的建立，所建立的设备初始模型还原絮凝池尺寸以及水力设备原型，如图2所示。
步骤2、采用网格划分技术对经步骤1建立的初始模型进行离散，保证整体网格质量有利于提高计算结果的准确性。
步骤3、采用CFD计算软件对经步骤2网格划分后的数值模型进行常温25℃下的单相定常计算，建立封闭的连续性方程，
x、
y、
z三个方向上的动量方程以及能量方程，方程的表达式为：
；
；
其中，为笛卡尔坐标系下的向量算子，
V为速度向量，构成迁移导数，其在物理上表示由于流体微团从流场中的一点运动到另一点，流场的空间不均匀性而引起的时间变化率，
u，
v，
ω分别代表速度在
x，
y，
z方向上的分量，
f代表作用在单位质量流体微团上的体积力，其
x，
y，
z方向上的分力分别用，，表示；
μ为粘性系数，
k为热导率；
ρ，
p，
T分别代表密度、静压和温度；表示总能量，即内能与动能之和；为各方向上的应力。
步骤4、保证步骤3中数值计算的残差收敛精度低于1.0×10-4，以步骤3中定常数值计算的结果文件作为初始条件，在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，对固相成分的受力平衡方程进行定义，用和表示流体相速度和固体颗粒速度，则单位质量颗粒所受到的阻力可以表示为，用和表示流体密度和固体颗粒密度，添加附加质量力，流场压力梯度引发的附加力以及颗粒所受其他外力的合力，那么在重力的作用下，对平均直径为的颗粒，其固相成分的受力平衡方程可以表示为：
；
。
其中，颗粒的平均直径；表示阻力系数；Re表示为颗粒雷诺数。
步骤5、以步骤3中数值计算的结果文件作为初始条件，在常温
t 1=25℃液体介质的进口基础上再次添加温度
t 2=100℃的液体，当絮凝池内冷热水接触时，其换热方式为热对流，即分子层面的导热，已知流体质量
m和流体介质的定压比热容冷，则热流体总换热量
Q 1的计算公式和流体微团的导热公式
Q 2分别为：
；
；
其中，代表温差，
R为导热热阻，
λ为导热系数，
S代表接触面积，
L代表微团厚度。
步骤6、在步骤3数值计算结果的基础上，利用步骤4定义的算法，对数值模型再次进行固液两相流计算，利用步骤5定义的算法，进行温度分布计算。根据絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，对絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，获得絮凝搅拌效果的评判标准。
该评判标准可包括不同搅拌机转速、不同搅拌机型号以及不同搅拌机布置方式下絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性对比情况。
如图3所示，在固液两相流的模拟下，相同转速、不同叶片表面的条件下，模型出口面固体与液体的均匀性分布情况。图3中(a)为常规式叶片、(b)为非常规式叶片，可以分析出，非常规式叶片的搅拌效果要明显优于常规式叶片的搅拌效果。同时，以此作为依据来分析现实中所加入药剂在被处理水中的分布情况。
如图4所示，相同转速、不同叶片表面的条件下絮凝池出口面温度分布的均匀性分析，通过此图能够清楚的分析出，在选用相同转速、不同叶片表面的条件下，其搅拌后，出口面的水温度均匀性的分布，图4中(a)为常规叶片的均匀性分布情况，（b）为非常规叶片的均匀性分布情况，通过此均匀度的分布情况，可分析出该转速下的搅拌机搅拌效果。以此作为依据，判断出药剂与被处理水的混合情况。
如图5所示，本申请还针对搅拌机转速和絮凝池出口面的温度进行了分析，根据测得的絮凝池温度分布的数据和搅拌机转速拟合曲线方程：
；
其中：X为搅拌机转速，=308.59954，=-0.00448，=6.10612E-6，=-4.148E-9，=9.99287E-13，E代表指数，表示将前面的数字乘以10的n次幂。
综上，根据此曲线方程，结合实际所用搅拌机设备转速的大小，可计算出絮凝池温度的一个整体分布情况，选取最合适宜的搅拌后温度，其对应的搅拌机转速即为最佳搅拌转速。用温度来反映现实絮凝池中，药剂与被处理水的混合情况，从而根据上述的曲线方程等描述，直接选择出最佳的搅拌机转速，使现实操作变得更加便捷高效。
实施例2
本发明还公开了一种基于CFD的搅拌机絮凝分析系统，包括处理器及存储介质；存储介质用于存储指令；处理器用于根据指令进行操作以执行实施例1所述方法的步骤。
存储器用于存储全部模型数据、以及本申请实施例提供的基于CFD技术的搅拌机絮凝剂对比分析方法及系统对应的计算程序指令等各种数据，其中，存储器可以是随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可编程只读存储器(PROM)，可擦除只读存储器(EPROM)等。
处理器用于读取并运行存储于存储器中的与基于CFD技术的搅拌机絮凝剂对比分析对应的计算机程序指令时，执行本申请实施例提供的搅拌机絮凝剂对比分析方法。
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CPU)、网络处理器(NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (5)
1.一种基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，其特征在于，包括：
对絮凝池及絮凝池中搅拌用水力设备进行建模，获得设备初始模型；
对所述初始模型进行离散处理，获得处理后的数值模型；
对所述数值模型进行单相定常计算，建立流体控制方程；
以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在单相计算模型的进口基础上添加固相成分，建立两相流模型；
以所述流体控制方程定常数值计算的结果文件作为初始条件，在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质，建立传热模型；
根据两相流模型，获得絮凝池内固液分布情况，根据传热模型获得絮凝池的温度分布情况；根据絮凝池的温度分布情况获取絮凝池出口面的平均温度；根据不同搅拌机转速下絮凝池出口面的平均温度拟合出转速-出口面温度方程；所述转速-出口面温度方程的表达式为：
；
其中：=308.59954，=-0.00448，=6.10612E-6，=-4.148E-9，=9.99287E-13；X为搅拌机转速，E代表指数；
根据絮凝池内固液分布情况和絮凝池的温度分布情况，对絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，获得絮凝搅拌效果的评判标准；
所述两相流模型中固相成分的受力平衡方程为：
；
其中，和分别为流体相速度和固体颗粒速度，为单位质量颗粒所受到的阻力，和分别为流体密度和固体颗粒密度，为附加质量力，流场压力梯度引发的附加力，为颗粒所受其他外力的合力，为重力，为颗粒的平均直径；
所述传热模型中热流体总换热量Q1的计算公式为：
；
其中，m为流体质量，为流体介质的定压比热容冷，为第二温度液体介质的温度，=100，为第一温度液体介质的温度，=25；
所述传热模型中流体微团的导热公式Q2为：
；
其中，为温差，R为导热热阻，λ为导热系数，S为接触面积，L为微团厚度。
2.根据权利要求1所述的基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，其特征在于，所述在第一温度液体介质的进口基础上添加第二温度液体介质为：在25℃的常温液体介质的进口基础上添加100℃的液体介质。
3.根据权利要求1所述的基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，其特征在于，所述获得絮凝搅拌效果的评判标准包括：
对不同搅拌机转速、不同搅拌机型号以及不同搅拌机布置方式下絮凝池内各区域的固相分布均匀性和温度分布均匀性进行对比，将获得的结果作为絮凝搅拌效果的评判标准。
4.根据权利要求1所述的基于CFD的搅拌机絮凝分析方法，其特征在于，所述建立流体控制方程中数值计算的残差收敛精度低于1.0×10-4。
5.一种基于CFD的搅拌机絮凝分析系统，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
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| Jaworski et al. | CFD study of homogenization with dual rushton turbines—Comparison with experimental results: Part I: Initial studies | |
| CN115859869B (zh) | 一种基于cfd的搅拌机絮凝分析方法及系统 | |
| Bezzo et al. | A general methodology for hybrid multizonal/CFD models: Part II. Automatic zoning | |
| Shekhar et al. | CFD study of power and mixing time for paddle mixing in unbaffled vessels | |
| Kasat et al. | CFD simulation of liquid-phase mixing in solid–liquid stirred reactor | |
| Zadghaffari et al. | Large-eddy simulation of turbulent flow in a stirred tank driven by a Rushton turbine | |
| Bujalski et al. | The influence of the addition position of a tracer on CFD simulated mixing times in a vessel agitated by a Rushton turbine | |
| Tanguy et al. | A new investigation of the metzner‐otto concept for anchor mixing impellers | |
| Yang et al. | Effects of rotor and stator geometry on dissolution process and power consumption in jet-flow high shear mixers | |
| Wiedemann et al. | Modeling mixing in anaerobic digesters with computational fluid dynamics validated by experiments | |
| Patel et al. | Effect of rheological parameters on non-ideal flows in the continuous-flow mixing of biopolymer solutions | |
| Zhang et al. | Impacts of flow and tracer release unsteadiness on tracer analysis of water and wastewater treatment facilities | |
| Tsui et al. | Flow characteristics in mixers agitated by helical ribbon blade impeller | |
| Liu et al. | Numerical simulation of flow of rubber compounds in partially filled internal mixer | |
| Wang et al. | Numerical Simulation of Fine Particle Solid‐Liquid Two‐Phase Flow in a Centrifugal Pump | |
| Basara et al. | Simulation of single‐and two‐phase flows on sliding unstructured meshes using finite volume method | |
| Ghasemi et al. | Optimizing the parameters of heat transmission in a small heat exchanger with spiral tapes cut as triangles and aluminum oxide nanofluid using central composite design method | |
| Gros et al. | Complete pump characteristics and 4-quadrant representation investigated by experimental and numerical approaches | |
| ABlD et al. | Modeling of the 3D hydrodynamics of 2‐blade impellers in stirred tanks filled with a highly viscous fluid | |
| Hundshagen et al. | Assessment of multi-phase CFD methods for gas-laden liquid flows in centrifugal pumps with particular emphasis on the change of flow morphology | |
| Shao et al. | Study on the transition process of a molten salt pump transporting media with crystalline particles by modeling test and numerical simulation | |
| Pohn et al. | Computational Analysis of Mixing and Scale‐Up in Emulsion Polymerization Reactors | |
| Molnára et al. | CFD Model based comparison of mixing efficiency of different impeller geometries | |
| Liang et al. | Influence of wall roughness on pressure distribution and performance of centrifugal dredge pumps | |
| He et al. | Numerical investigation of the mixing process in a Twin Cam Mixer: Influence of triangular cam height-base ratio and eccentricity |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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