CN117131806A - 一种基于cfd的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种基于cfd的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD的生物池速度体积分析方法系统及存储介质，分析方法包括：获取预建立的生物池‑设备模型；其中，所述生物池‑设备模型中包括多个搅拌设备；对预建立的生物池‑设备模型进行定常计算，建立流体控制方程；以定常计算的结果作为初始条件对预建立的生物池‑设备模型进行非定常计算，获得生物池速度体积分布情况；其中，在非定常计算时，采用正弦方程及余弦方程分别设定搅拌设备的转速。本申请通过先定常分析，再以定常分析的结果为基础进行非定常分析，并在非定常分析时通过正余弦方程设定设定搅拌设备的转速，通过生物池速度体积分布情况可知本申请的搅拌效果更好，耗能更低。

Description

一种基于CFD的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种基于CFD的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质。
背景技术
在水处理中生物处理方法由于其低能耗、高效率等优点从而有着广泛的应用，除了生物自身的因素影响处理效果之外，水处理中运行的工况和池中水体速度均匀分布等物理性质也会直接影响最终的出水水质，因此保障生物池中水体流速的均匀分布是有益于污水处理的。
现有的常用实验方法是通过在水池不同位置增减潜水搅拌机个数，通过多搅拌机的联合搅拌，来提升池内的平均流速，提高池内的有效搅拌体积，但是各个搅拌机间的转速相对固定，这种方法忽略了各搅拌机之间协同合作的高适配性作用，只是简单的增加减少搅拌机数量，这种方法虽然可以达到目的，但是增加了能耗和投入成本，并且缺少面对不同水质变化时灵活的适应性。除此以外，目前针对生物池速度体积分布的数值模拟方法也较为固定落后，多数采用定常计算对固定转速的搅拌机形成的流场进行模拟，而目前市场上高效永磁变频搅拌机已十分成熟，目前主流的模拟方法无法对实时处于波动状态下的搅拌机转速进行模拟，虽然定常计算有着计算效率高成本小等优点，但其模拟结果为时均化处理后的结果，对工程实际中存在的动态变化无法进行描述。
随着越来越多的企业进军水处理领域，目前大多数污水处理厂为了降低污水处理成本，已对污水处理工艺和加药等方面进行升级改造，但大多数企业却忽略了电机类驱动设备能耗对成本的控制，如何在保障水体流动性的基础上，降低搅拌机的功耗，或是在相近的搅拌机功耗下，能够提供更佳的水力混合条件来满足水体与微生物之间的接触，这是缺乏研究的内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CFD的生物池速度体积分析方法、系统及存储介质，以解决现有技术中不能在低能耗的情况下有效的保障水体的流动性。
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，本申请公开了一种基于CFD的生物池速度体积分析方法，包括：
获取预建立的生物池-设备模型；其中，所述生物池-设备模型中包括多个搅拌设备；
对预建立的生物池-设备模型进行定常计算，建立流体控制方程；
以定常计算的结果作为初始条件对预建立的生物池-设备模型进行非定常计算，获得生物池速度体积分布情况；
其中，在非定常计算时，采用正弦方程及余弦方程分别设定多个搅拌设备的转速。
进一步地，所述正弦方程及余弦方程的表达式分别为：
n1=Asin(B$Time)+C；
n2=Acos(B$Time)+C；
其中，n1、n2分别为两个搅拌设备的转速，单位为rad/s；$表示乘法运算；Time为搅拌设备的运行时间，单位为秒；A、B、C均为常数，A、B、C取值范围分别为5.2356≤A≤68.0628；0.0026≤B≤0.0105；26.1780≤C≤89.0052。
进一步地，采用正弦方程及余弦方程分别设定多个搅拌设备的转速包括如下步骤：
当搅拌设备的数量为两个时，其中一个搅拌设备的转速采用正弦方程设定，另一个搅拌设备的转速采用余弦方程设定；
当搅拌设备的数量大于两个时，采用正弦方程和余弦方程分别设定同组设备中的两个搅拌设备，采用正弦方程或余弦方程设定另外的单个搅拌设备；其中，满足对称布置条件的两个搅拌设备为同组设备。
进一步地，还包括：在非定常计算时，根据搅拌设备的力矩及转速获得搅拌设备实时的轴功率，根据轴功率与搅拌设备运行时间的积分面积获得搅拌设备的功耗；
根据生物池速度体积分布情况和搅拌设备的功耗建立搅拌效果及能耗综合评价标准。
进一步地，所述流体控制方程包括连续性方程、动量方程和标准K-Epsilon湍流模型方程。
进一步地，在非定常计算时以Navier-Stokes控制方程和标准K-Epsilon湍流模型方程作为新的流体控制方程。
进一步地，在非定常计算时，时间步长为搅拌设备的叶轮每旋转3°所对应的时间，停止准则的设定数值不小于生物池平稳运行的30min。
进一步地，所述生物池-设备模型的建立过程包括：
通过三维建模软件对生物环形水池及池中推流所需的搅拌设备进行计算域模型的建立；
采用多面体网格划分技术对所述计算域模型进行离散，在计算域模型的关键区域进行网格局部加密处理，获得生物池-设备模型。
第二方面，本发明公开了一种基于CFD的生物池速度体积分析系统，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现如第一方面任一项所述的基于CFD的生物池速度体积分布分析方法的操作。
第三方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现第一方面任一所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
本申请在非定常计算时采用正弦方程及余弦方程设定搅拌设备的转速，相较于此前工艺单调的通过增减定频搅拌机数量、固定的搅拌机转速来提高有效搅拌体积从而促进污水处理效果的做法，这种算法不仅可以解决此前生物池面对不同水质可调控性差、高功耗搅拌效果不理想的问题，且具备面对突发水质急剧变化的适应能力，通过调整正余弦函数的常数等参数就可以实现搅拌机转速的设置，从而进行精确调整；
在生物池速度体积分析时采用定常和非定常计算相结合的模拟方式可有效的观察生物池中任意时刻水体的流动状态，根据模拟结果证明，相较传统采用固定转速的搅拌机，采用正余弦函数转速交替运行的潜水搅拌机，可以在功耗降低10%的前提下，有效降低死水区占比，提高有效搅拌体积，大幅降低生产成本，最终为生物池内水体速度体积的合理低耗高效分配提供一种新的可行性强的解决方法。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的具体流程图；
图3为本发明中生物池-设备模型的示意图；
图4为本发明正余弦设定转速及常规转速下生物池速度体积分布对比图；
图5为本发明正余弦设定转速及常规转速下搅拌设备的能耗对比图。
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。
实施例1
本方法及算法基于CFD技术针对生物池中速度体积分布控制算法进行了具体阐述，对现有的分析和模拟方法进行了改进，针对生物池不同的水质变化和出水要求，在定常和非定常计算的基础上，采用新定义的正余弦场函数形式对搅拌机的转速进行参数设定，以满足搅拌机转速区间、周期频率、上下限等要求，分别对改进前后的方案进行模拟，通过统计对比彼此的功耗大小和生物池流线、速度云图、阈值体积占比、均匀性参数等数据，最终实现以更低的能耗使得生物池速度流场分布更加均匀的目的。
如图1所示，本申请公开了一种基于CFD的生物池速度体积分析方法，该方法包括获取预建立的生物池-设备模型；其中，所述生物池-设备模型中包括多个搅拌设备；对预建立的生物池-设备模型进行定常计算，建立流体控制方程；以定常计算的结果作为初始条件对预建立的生物池-设备模型进行非定常计算，获得生物池速度体积分布情况；其中，在非定常计算时，采用正弦方程及余弦方程分别设定搅拌设备的转速。
本申请通过先定常分析再以定常分析的结果进行非定常分析，并在非定常分析时通过正余弦方程设定设定搅拌设备的转速，通过生物池速度体积分布情况可知本申请的搅拌效果更好，耗能更低。采用正余弦函数转速交替运行的搅拌设备，可以在功耗降低10%的前提下，有效降低死水区占比，提高有效搅拌体积，大幅降低生产成本，最终为生物池内水体速度体积的合理低耗高效分配提供一种新的可行性强的解决方法。
在一些进一步地实施例中，如图2所示，在定常计算和非定常计算时，采用反馈的设计思路，根据定常和非定常的结果适当更改常规模型参数、求解器的选择、网格的划分等过程。
本申请的重要改进部分为采用在非定常计算时，采用正弦方程及余弦方程分别设定搅拌设备的转速，下面对本申请的其余部分及该部分进行说明。
在进行分析时，首先要建立生物池-设备模型，模型如图3所示，生物池-设备模型的建立过程包括如下步骤：
步骤1、通过三维建模软件对生物环形水池及池中推流所需的搅拌设备进行计算域模型的建立，所建立的计算模型应符合环形水池和搅拌设备相应的国标标准。
在本步骤中，生物环形水池中的搅拌设备可以为两个、三个或四个，根据水处理的需求设置不同数量的搅拌设备。当搅拌设备的数量大于两个时，对搅拌设备进行分组，定义满足对称布置条件的两个搅拌设备为同组设备，不满足对称布置条件的设备为单个搅拌设备，对于同组设备中的两个搅拌设备采用正弦方程和余弦方程设定其转速，对于单个搅拌设备采用正弦方程或余弦方程设置均可。
由于潜水搅拌机的安装布置方式的差异会对搅拌效果产生很大的影响，在具体的工程安装中往往会采取对称布置的方式进行安装，本方法对同组搅拌机设备采用正弦和余弦方程设定转速，利用同时刻搅拌机转速差异所形成的不同速度流场，可以有效的避免射流短路循环，避免能量损失，从而形成射流交叉，更有利于池内水体的循环。
步骤2、采用多面体网格划分技术对步骤1建立的计算模型进行离散，在近壁面、叶片等关键区域进行网格局部加密处理，并进行网格无关化验证，保证了计算结果的精确性和高效性。
本申请在进行分析时，首先采用定常分析然后以定常分析的结果作为初始条件进行非定常分析，以获得速度体积分析结果。定常分析的过程具体如下：
步骤3、采用CFD计算软件对经步骤2网格划分后的生物池-设备数值模型首先进行常温25℃、定转速500rpm下的定常计算，稳态总时间步长设为3000步，步长总数以达到稳态为目的，并建立流体控制方程。流体控制方程包括连续性方程、动量方程和标准K-Epsilon湍流模型方程，其中连续性方程、动量方程和标准K-Epsilon湍流模型的输运方程如下：
；
；
；
；
；
；
式中，t为时间，为流体的密度，kg*m -3 ,/>、/>、/>分别是速度矢量在x、y、z三个方向上的分量，/>为压力，/>为液体的粘度，/>为湍流粘度。/>、/>、/>为广义上的源项。/>是平均速度梯度产生的湍流动能，/>是由浮力产生的湍流动能，/>是可压缩湍流中的脉动扩张的贡献。/>和/>为坐标，/>为速度分量，/>均为常数，其值分别为1.44、1.92、0.09、1.0、1.3。
非定常分析的设置条件及过程如下：步骤4、保证步骤（3）中数值计算的残差收敛精度低于1.0E-4，以步骤（3）中定常数值计算的结果文件作为瞬态模拟的初始条件，选择隐式非稳态、Navier-Stokes控制方程和标准K-Epsilon湍流等模型作为非定常计算的物理参数设置，为了保障非定常计算的精度和求解时间，非定常时间步长选择叶轮每旋转3°所对应的时间，停止准则中先取消最大步数的设定后启用最大物理时间设定，具体设定数值以不低于生物池平稳运行30min为下限，后新建求解历史文件夹选择要记录哪些区域的数据，再选择保存具体哪些场函数数据，最终选择合适的触发器和时间步频率，通常设定为10。
步骤5、在完成步骤（4）物理参数设置的基础上，对搅拌设备的转速等参数进行设置。其中参考坐标系的设置是基于CFD软件内嵌的场函数，轴方向和轴原点设置与定常计算保持一致，但转速的设置与常规定转速设置不同，非定常计算时是采用正余弦函数的形式来控制，其中转速的大小可随着求解时间的增加而自行在区间内不断改变，池中的两个搅拌设备分别采用基于正弦和余弦的场函数来控制旋转速率，彼此交替高速运行，正余弦场函数分别设定为：
n1=Asin(B$Time)+C；
n2=Acos(B$Time)+C；
其中，n1、n2分别为两个搅拌设备的转速，单位为rad/s；$表示乘法运算；Time为搅拌设备的运行时间，单位为秒；A、B、C均为常数。可以通过更改A、B、C的值来达到控制搅拌机旋转速率的目的，如设置A、C的值来直接调整搅拌机转速的区间范围和极值，通过设置B的值来改变基于正余弦转速的潜水搅拌机的频率变化周期。A、B、C取值范围分别为5.2356≤A≤68.0628；0.0026≤B≤0.0105；26.1780≤C≤89.0052。
综上，在步骤（3）定常模拟计算结果的基础上，按照步骤（4）具体的参数设置进行非定常模拟计算前的前处理工作，后按照步骤（5）中定义的正余弦场函数来对搅拌机转速进行设置，对步骤（1）设定的模型再次进行非定常数值计算。在非定常计算中，通过对池内不同流速区间内的阈值所占的体积进行统计，再结合动态的流场变化图，可以得到实时的速度体积分布情况和均匀性参数。
为了更好的评价采用正余弦函数来控制搅拌机转速所带来的实时搅拌效果，首先采用速度云图、矢量图、流线图进行总体上的宏观分析，后根据不同流速区间内的阈值所占池体积比和均匀性参数进行具体的量化分析。其中均匀性参数α的计算公式如下：
；
式中：α与速度均匀分布呈正相关，该数值越大，流场分布均匀度越高；v i 为具体采样点的速度值；为水池平均流速；n为模拟中所采集的数据点的个数。
本申请以相同的安装位置及运行时间，对采用常规定转速的搅拌设备和本申请正余弦方程设定转速的搅拌设备进行速度体积分布情况分析，如图4所示，由该图可知，采用本申请正余弦方程设定转速的搅拌设备，低速区域较小高速区域较多（死水区小，水体流动性效果好），此形式表明，采用本申请正余弦方程设定搅拌设备转速的形式具有更好的搅拌效果。
在一些进一步地实施例中，通过实时记录的力矩、转速等参数可以得到实时的轴功率数据，进而绘制出变转速搅拌机在运行过程中的整体功耗表现（功耗为轴功率与搅拌设备运行时间的积分面积）。后与采用固定转速设置而其它参数不变的的潜水搅拌机进行比较，通过对比在相同的初始条件下，运行相同的时间范围内，不同的旋转速率设定下的生物池不同流速范围内的池内体积占比和搅拌机功耗表现，以获得搅拌效果及能耗综合评价标准。采用该评价标准可对采用本申请正余弦方程设定搅拌设备转速的形式进行指导。
上面已经分析了生物池速度体积分布情况，下面对搅拌设备的功耗进行具体分析。根据搅拌设备的力矩及实时转速可获得实时的轴功率数据，根据轴功率数据和运行时间，可绘制出变转速搅拌机在运行过程中的整体功耗表现，如图5所示，纵坐标是轴功率，横坐标是时间，二者的所围成的积分面积就是具体的功耗大小。经计算分析，采用正余弦方程设定搅拌设备转速，其中一个搅拌设备的功耗大概降低11%，另一个搅拌设备功耗大概降低2%，综合能耗降低可达6%。
本申请通过以正余弦场函数的形式合理调整分配各潜水搅拌机的转速区间和频率，使得各搅拌机间交替高功率运行，并采用定常和非定常计算相结合的模拟方式可以保证在计算结果收敛的基础之上通过速度云图、矢量图、速度阈值占比等方法来观察生物池中任意时刻水体的流动状态。这种通过正余弦函数设定搅拌机转速，智能动态调整转速参数的处理方法，相较于此前工艺单调的通过增减定频搅拌机数量、固定的搅拌机转速来提高有效搅拌体积从而促进污水处理效果的做法，这种算法不仅可以解决此前生物池面对不同水质可调控性差、高功耗搅拌效果不理想的问题，且具备面对突发水质急剧变化的适应能力，还可以实时便捷地观测到生物池的流场变化，通过调整正余弦函数的常数等参数就可以实现搅拌机转速的设置，从而进行精确调整，根据模拟结果证明，相较传统采用固定转速的搅拌机，采用正余弦函数转速交替运行的潜水搅拌机，可以在功耗降低10%的前提下，有效降低死水区占比，提高有效搅拌体积，大幅降低生产成本，最终为生物池内水体速度体积的合理低耗高效分配提供一种新的可行性强的解决方法。
实施例2
本发明还公开了一种基于CFD的生物池速度体积分析系统，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生物池速度体积分布分析方法。
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 (10)

1.一种基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，包括：
获取预建立的生物池-设备模型；其中，所述生物池-设备模型中包括多个搅拌设备；
对预建立的生物池-设备模型进行定常计算，建立流体控制方程；
以定常计算的结果作为初始条件对预建立的生物池-设备模型进行非定常计算，获得生物池速度体积分布情况；
其中，在非定常计算时，采用正弦方程及余弦方程分别设定多个搅拌设备的转速。
2.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，所述正弦方程及余弦方程的表达式分别为：
；
；
其中，n1、n2分别为两个搅拌设备的转速，单位为rad/s；表示乘法运算；Time为搅拌设备的运行时间，单位为秒；A、B、C均为常数，A、B、C取值范围分别为5.2356≤A≤68.0628；0.0026≤B≤0.0105；26.1780≤C≤89.0052。
3.根据权利要求2所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，采用正弦方程及余弦方程分别设定多个搅拌设备的转速包括如下步骤：
当搅拌设备的数量为两个时，其中一个搅拌设备的转速采用正弦方程设定，另一个搅拌设备的转速采用余弦方程设定；
当搅拌设备的数量大于两个时，采用正弦方程和余弦方程分别设定同组设备中的两个搅拌设备，采用正弦方程或余弦方程设定另外的单个搅拌设备；其中，满足对称布置条件的两个搅拌设备为同组设备。
4.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，还包括：
在非定常计算时，根据搅拌设备的力矩及转速获得搅拌设备实时的轴功率，根据轴功率与搅拌设备运行时间的积分面积获得搅拌设备的功耗；
根据生物池速度体积分布情况和搅拌设备的功耗建立搅拌效果及能耗综合评价标准。
5.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，所述流体控制方程包括连续性方程、动量方程和标准K-Epsilon湍流模型方程。
6.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，在非定常计算时以Navier-Stokes控制方程和标准K-Epsilon湍流模型方程作为新的流体控制方程。
7.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，在非定常计算时，时间步长为搅拌设备的叶轮每旋转3°所对应的时间，停止准则的设定数值不小于生物池平稳运行的30min。
8.根据权利要求1所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法，其特征在于，所述生物池-设备模型的建立过程包括：
通过三维建模软件对生物环形水池及池中推流所需的搅拌设备进行计算域模型的建立；
采用多面体网格划分技术对所述计算域模型进行离散，在计算域模型的关键区域进行网格局部加密处理，获得生物池-设备模型。
9.一种基于CFD的生物池速度体积分析系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现如权利要求1-8任一项所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法的操作。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8中任一所述的基于CFD的生物池速度体积分析方法。
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