水处理反应器的计算流体力学

反应器流体力学的计算分析与优化研究反应器流体力学的计算分析可以通过数值模拟方法来实现。

数值模拟方法通常通过离散化反应器内的流体区域，将流体力学方程和质量守恒方程进行数值求解，得到流动场和浓度场的分布。

这些模拟方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法等。

通过模拟得到的流动场和浓度场，可以评估反应器的性能，并对其进行优化设计。

在反应器流体力学的计算分析中，流体物理性质是一个关键的参数。

这涉及到流体的粘度、密度、热导率等物理性质，这些参数需要根据实际情况来估计或测量。

此外，反应器的几何形状也是计算分析的关键参数。

几何形状包括反应器的尺寸、形状和结构，与反应器内部的流体流动形式密切相关。

基于反应器流体力学的计算分析，可以对反应器内的气体和液体流动行为进行定量描述，并进行反应器设计与操作的优化。

优化的目标可以包括最大化反应速率、最小化质量传递阻力、最小化能量损失等。

优化可以基于数值模拟结果，通过逐步调整反应器的几何形状和操作参数，来实现最佳的反应器性能。

在分析与优化过程中，还需要考虑到实际条件的限制，例如反应器的材料耐受性、能源成本等。

同时，反应器的安全性也是重要的考虑因素之一、反应器流体力学分析与优化的研究可以帮助工程师们理解反应器内的复杂流动现象，从而提高反应器的设计与运行效率，降低成本，减少排放和能源消耗。

总之，反应器流体力学的计算分析与优化研究对于优化反应器的设计与操作具有重要意义。

通过数值模拟方法，可以定量描述反应器内的流动
行为，并进行优化设计。

这将有助于提高反应器的性能，降低成本，减少环境污染，从而在工程实践中发挥重要作用。

化学反应模拟中的计算流体力学方法指南引言：在化学工程领域，模拟化学反应过程对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）方法以其快速、准确、经济的特点在化学反应模拟中被广泛应用。

本文旨在为化学工程师提供一份关于化学反应模拟中计算流体力学方法的指南，帮助他们选择适合的CFD方法，从而实现准确且有效的反应模拟。

一、计算流体力学方法概述：计算流体力学是一种数值模拟方法，用于描述在给定的边界条件下流体运动的物理现象。

它基于质量、动量和能量守恒定律以及流体的连续性、动量和能量守恒方程，通过数值解这些方程来模拟流体的行为。

在化学反应模拟中，计算流体力学方法可以用于描述流体的混合、传热和质量转移等过程。

二、化学反应模拟中常用的计算流体力学方法：1. Euler法：Euler法是最基本的CFD方法之一，它假设流体是连续和不可压缩的，适用于密度相对稳定的情况。

Euler法通过离散化流体域，将流体领域划分为有限体积，计算流体在每个体积元内的平均参数。

然后通过求解守恒方程来模拟流体的运动和行为。

2. Navier-Stokes方程：Navier-Stokes方程是CFD中最基本的方程之一，描述了流体的宏观行为。

基于Navier-Stokes方程的CFD方法可以模拟各种流体现象，如流动、湍流、传热等。

对于化学反应模拟，考虑到反应过程中产生的温度、压力、速度等因素，基于Navier-Stokes方程的CFD方法能够提供更准确的结果。

3. 湍流模拟：湍流是许多化学反应过程中不可避免的现象，因此模拟湍流对于准确描述反应过程至关重要。

常见的湍流模拟方法包括雷诺平均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）。

RANS 方法适用于平均湍流场，而LES方法则可以模拟湍流尺度小于网格尺度的流体湍流。

计算流体力学模拟技术在化工过程设计中的应用指南计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术是在计算机上对流体流动的运动进行数值模拟和分析的一项重要技术。

它通过对流体的宏观性质进行建模和离散化计算，可以预测和优化流体流动的行为，为化工过程设计提供了重要的工具和方法。

一、CFD模拟在化工过程设计中的意义CFD模拟技术具有较高的精度和灵活性，可以模拟和分析各种复杂的流体流动情况，如气体、液体和颗粒物的流动、传热和反应等。

在化工过程设计中，CFD模拟可以提供以下方面的帮助。

1. 流体力学特性分析。

通过CFD模拟可以获得流动场中的各种物理量分布，如速度、压力、温度等，从而对流体流动的特性进行分析和评估。

这有助于设计和优化化工设备，提高其工作效率和安全性。

2. 设备性能评估。

利用CFD模拟，可以模拟和分析化工设备的运行情况，包括反应器、分离塔、换热器等。

通过评估设备的性能指标，如传热系数、分离效率等，可以优化设备结构和参数，提高设备的性能和经济性。

3. 流动过程优化。

CFD模拟可以模拟和预测复杂的流体流动过程，如搅拌过程、混合过程和反应过程等。

通过调整流动的结构和参数，可以优化流动过程，提高反应效率和产物选择性。

二、CFD模拟在化工过程设计中的应用案例下面通过几个具体的应用案例，说明CFD模拟在化工过程设计中的应用指南。

1. 反应器设计与优化在化学反应中，反应器的设计和优化对于提高反应效率和产物选择性至关重要。

CFD模拟可以模拟和分析反应器中的流体流动和反应过程，通过调整反应器结构和参数，提高传质效果和反应均匀性。

可以优化反应器的温度分布、压力场和物质传递方式，进而提高反应速率和产物质量。

2. 搅拌槽的仿真和优化搅拌槽是一种常见的化工设备，在化工过程中起到混合物料、加热反应等作用。

CFD模拟可以模拟和分析搅拌槽中的流动和混合过程，通过调整搅拌器的参数（如转速、叶片形状等），可以优化搅拌槽的流体流动和混合效果。

1. 工程上计算时，水管路，压力常见为0.1--0.6MPa，水在水管中流速在1--3米/秒，常取1.5米/秒。

流量=管截面积X流速=0.002827X管径^2X流速(立方米/小时)^2：平方。

管径单位：mm管径=sqrt(353.68X流量/流速)sqrt：开平方饱和蒸汽的公式与水相同，只是流速一般取20--40米/秒。

如果需要精确计算就要先假定流速，再根据水的粘度、密度及管径先计算出雷诺准数，再由雷诺准数计算出沿程阻力系数，并将管路中的管件（如三通、弯头、阀门、变径等）都查表查出等效管长度，最后由沿程阻力系数与管路总长（包括等效管长度）计算出总管路压力损失，并根据伯努利计算出实际流速，再次用实际流速按以上过程计算，直至两者接近（叠代试算法）。

因此实际中很少友人这么算，基本上都是根据压差的大小选不同的流速，按最前面的方法计算。

2. 管道的水力计算包括长管水力计算和短管水力计算。

区别是后者在计算时忽略了局部水头损失，只考虑沿程水头损失。

（水头损失可以理解为固体相对运动的摩擦力）以常用的长管自由出流为例，则计算公式为H=(v^2*L)/(C^2*R),其中H为水头，可以由压力换算，L是管的长度，v是管道出流的流速，R是水力半径R=管道断面面积/内壁周长=r/2，C是谢才系数C=R^(1/6)/n，n是糙率，其大小视管壁光洁程度，光滑管至污秽管在0.011至0.014之间取。

呵呵，计算这个比较麻烦，短管计算更麻烦，公式不好打。

总之，只知道压力和管径，无法算得流速的，因为管道起始端压力一定，管道的流速和管长和糙率成反比。

3. 我公司的一个车间内自来水量不够，现需增加。

开车时用水量在60个立方以上，但现在肯定达不到不知道是增加管径好，还是加个增压泵好？我的流体力学书丢了，现在没法算出60个立方，压力0.1MPa（表压）时，选用多少管径比较节能？主管道大概有55米，每根次管道是3米到30米不等。

请高手帮我算下，或者给出公式。

水处理相关工艺计算公式水处理是指通过一系列工艺和设备对水进行处理和净化，使之达到特定的品质要求，以适用于各种不同的用途。

对于水处理工艺的计算公式，主要涉及到以下几个方面：流量计算、水质计算、反应速率计算和设备选型等。

1.流量计算：-平均流量计算：平均流量（Q）是指一定时间内通过给定截面的液体体积与时间的比值。

计算公式为：Q=V/t，其中Q为平均流量，V为通过给定截面的液体体积，t为经过的时间。

-流速计算：流速（v）是指液体通过单位截面的速度。

计算公式为：v=Q/A，其中v为流速，Q为流量，A为给定截面的面积。

2.水质计算：-溶解氧计算：溶解氧（DO）是指在一定温度和压力下水中溶解的氧气的浓度。

溶解氧的计算公式为：DO=(C/P)*100，其中DO为溶解氧的浓度，C为溶解氧的含量，P为水的总压力。

-悬浮物浓度计算：悬浮物是指在水中悬浮的固体颗粒。

悬浮物浓度的计算公式为：C=(m/V)*100，其中C为悬浮物的浓度，m为悬浮物的质量，V为水的体积。

3.反应速率计算：-反应速率计算：反应速率是指单位时间内反应物消耗或生成的量。

反应速率的计算公式为：r=ΔC/Δt，其中r为反应速率，ΔC为反应物消耗或生成的量的变化量，Δt为时间的变化量。

-反应速率常数计算：反应速率常数是指在给定条件下反应速率与反应物浓度的关系。

反应速率常数的计算公式为：k=r/C，其中k为反应速率常数，r为反应速率，C为反应物的浓度。

4.设备选型：-净水设备选型：净水设备的选型需要考虑水源的特性、处理效果要求、处理量等因素。

常用的净水设备包括过滤器、反渗透膜、离子交换器等。

选型公式一般采用经验公式或计算公式，如根据水质特点和处理要求来确定所需的设备型号和数量。

-污水处理设备选型：污水处理设备的选型需要考虑污水特性、处理工艺要求、处理量等因素。

常用的污水处理设备包括曝气池、沉淀池、MBR等。

选型公式一般采用设计原则和经验公式，例如根据污水COD浓度和处理效果来确定曝气池的尺寸和风量。

化学反应器的流体力学计算化学反应器是化学工业中最重要、最关键的设备之一。

在化工过程中，化学反应器内的流体力学性质对反应器的性能、效率、稳定性都有着重要的影响。

因此，在化学反应器的设计和优化中，流体力学计算变得尤为重要。

化学反应器内液流的性质和特点化学反应器内的液流可以看作是流体与反应物、催化剂、反应产物相互作用的结果。

反应器中的管道、搅拌、反应器壁等对流体的流动都会有一定的影响，使得反应器内的流体运动变得复杂。

在这种情况下，学习和掌握反应器内液流的性质和特点对于反应器的设计和优化至关重要。

反应器内流体的流动现象可以归结为以下几种：遇阻流动：反应器中的管道、设备、反应器壁等都会对流体的流动产生阻力。

阻力和液体的速度成正比，对于高流速的液体而言，阻力也会相应增大。

湍流和层流：液体流动的速度仿佛是波浪般变化，并且流速和流量都不稳定，这时液体流动就进入了所谓的湍流状态。

反之，若液体流动较为稳定，没出现波浪状況，则处于層流狀態。

对流：是指在恒温条件下，流体由于密度的差异而产生的运动。

具有密度差异的流体在被加热时，密度越小的流体就会向上移动，密度高的流体就会下沉。

这种现象通常用来解释化学反应器内的温度梯度和质量分布。

反应器内流体的性质和行为，需要通过流体力学计算来进行评估和分析。

此外，对于化学反应器而言，还需要考虑反应物的浓度、反应速度、自由能和活化能等因素对反应器的影响。

化学反应器的流体力学计算化学反应器内液流的特点和行为，不仅对反应器的设计和优化有着重要影响，也对反应过程的质量和效率有着直接的影响。

因此，针对反应器内复杂的液流问题，流体力学计算应运而生。

在化学反应器内液流的计算中，需要考虑的因素非常多。

比如液体的密度、粘度、流速、温度、某些化学反应的速度等等。

针对这些因素，有许多流体力学计算模型可以用来模拟流体的流动和行为。

其中最常用的方法是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟。

计算流体力学在流体运动分析中的应用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种利用数值方法模拟流体运动的工程学科。

该技术可以模拟在实际应用中遇到的多种流动问题，如流体的速度分布、压力分布、悬浮颗粒的运动行为等。

随着计算机硬件和软件的快速发展，CFD技术已经广泛应用于各个领域，例如汽车工业、航空航天工业、电力行业、建筑工业等领域，成为了方便、快捷、可靠的分析工具。

CFD的应用可以对流体运动过程进行深入的分析，为工程师提供技术支持和设计改进方案，同时也可以减少设计周期和成本，提高设计效率和可比性。

以下是CFD在流体运动分析中常见的应用场景。

1. 流体动力学分析CFD可以模拟流体的运动状态，该技术可以用来研究各种流动问题，如流体的速度、压力、温度、密度、离散相等。

例如，CFD可以预测空气动力学原理，研究飞机的气动特性，分析建筑物的通风效果，优化发电厂的燃烧过程等。

2. 液体动力学分析与流体动力学相同，CFD技术也可以模拟液体的运动状态，根据模拟结果进行液体动力学分析，深入了解液体流动的特点，优化设计方案，改进生产过程。

例如，CFD可以用来优化油气管道的设计，分析水泵的流量和压力损失，优化船舶和海洋工程中的流体运动行为等。

3. 流体-固体耦合分析在流体和固体相互作用的系统中，CFD可以模拟流体-固体耦合分析。

例如，在水力发电站水轮机中，CFD可以模拟水流和水轮机之间的相互作用，设计出更高效的水轮机，提高水力发电的效率。

在生物医学工程领域中，CFD可以研究心脏的血流、肺部的呼吸和人体的循环流动，帮助医生更好地理解生物组织的流动特性，优化医疗设备和治疗方案。

4. 离散相流体动力学分析为了准确反映实际流体运动的状态，CFD技术的应用也可以对离散相颗粒的运动进行模拟和计算，以更为深入的方式揭示流体-颗粒相互作用的机理。

例如在排污处理厂、水处理系统中，CFD技术可以模拟流体和颗粒之间的运动，优化处理方案，提高处理效率。

利用计算流体力学技术对水解酸化反应器优化设计及验证张㊀宇1㊀汪冬冬1㊀谭映宇1∗㊀王晓敏1㊀梅荣武1㊀易利芳2㊀殷㊀璐3㊀朱可嘉4(1.浙江省环境保护科学设计研究院,杭州310007;2.浙江宏澄环境工程有限公司,杭州310030;3.浙江省水利水电勘测设计研究院,杭州310012;4.浙江华普环境科技有限公司,杭州310013)摘要:针对现有水解酸化工艺中布水不均,首先利用CFD (Computational Fluid Dynamics )技术,对水解酸化反应器的固液流动状态进行了模拟研究及优化设计㊂首先模拟了多孔布水和不同搅拌桨形状对流态的影响,模拟结果表明:多孔布水有利于泥水分布均匀,提高传质效率;螺旋搅拌增强湍流强度,优于平板搅拌㊂随后以印染废水为处理对象,对数值模拟结果进行了实验验证,结果表明:水解酸化反应器采用多孔布水结合螺旋搅拌的方式更有利于泥水混合均匀,可显著提高印染废水生化性㊂通过计算机指导的辅助设计,为污水处理相关构筑物的设计与优化提供了新的思路㊂关键词:计算流体力学;水解酸化;印染废水OPTIMIZATION DESIGN AND VERIFICATION OF HYDROLYSIS ACIDIFICATION REACTORBY COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICSZhang Yu 1㊀Wang Dongdong 1㊀Tan Yingyu 1∗㊀Wang Xiaomin 1㊀Mei Rongwu 1㊀Yi Lifang 2㊀Yin Lu 3㊀Zhu Kejia 4(1.Environmental Science Research and Design Institute of Zhejiang Province,Hangzhou 310007,China;2.Zhejiang Hongcheng Environmental Engineering Co.,Ltd,Hangzhou 310030,China;3.Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Hangzhou 310012,China;4.Zhejiang Huapu Environmental Technology Co.,Ltd,Hangzhou 310013,China)Abstract :In view of the non-uniformity of water distribution in the hydrolysis acidification process,the solid-state flow state ofthe hydrolysis acidification reactor was simulated and optimized by CFD (Computational Fluid Dynamics)technology.Firstlywe simulated the effect of multi-holes water distribution and different impeller shapes on the flow state.The results showed that multi-holes water distribution is beneficial to the uniform distribution of muddy water and to the improvement of mass transfer efficiency,while spiral stirring is superior to plate stirring in enhancing turbulence intensity.Subsequently,we used dyeingwastewater as the treatment object,and the CFD simulation results were verified by actual experiments.The hydrolysis acidification reactor adopts the multi-holes water distribution combined with the spiral stirring,which is more favorable for theuniform mixing of the muddy water,and can significantly improve the biodegradability of dyeing wastewater.The results showed that the computer-assisted design provided a new idea for the design and optimization of wastewater treatment relatedunits.Keywords :computational fluid dynamics;hydrolytic acidification;dyeing wastewater㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-12-16基金项目:水体污染控制与治理国家科技重大专项(2017ZX07206-002);浙江省科技计划项目(2018C03006)㊂第一作者:张宇(1981-),男,博士,主要研究方向为工业废水处理工艺及技术㊂zhangyu0103@∗通信作者:谭映宇(1979-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为工业废水处理工艺及技术㊂9301112@0㊀引㊀言计算流体力学(CFD,Computational FluidDynamics)是流体力学和计算机数值计算相互交融而形成的一门新兴学科,它通过计算机数值计算和图形显示的方法对物理问题进行求解,从而获得流场的相关信息㊂CFD技术近些年来在污水处理领域逐渐有所应用㊂Larsen等[1]首次利用混合长理论来计算平流式沉淀池中水流的紊动粘性系数,在此基础上提出了沉淀池计算数学模型㊂随后一些学者结合二维k-ε紊流模型和悬浮物输移模型进行了沉淀池数值模拟,并且在平流式沉淀池㊁絮凝沉淀池㊁圆形辐射式沉淀池等的设计㊁运行㊁优化中得到应用[2-4]㊂张庄[5]利用k-ε紊流模型模拟了辐流式沉淀池中的水流流态以及悬浮物浓度分布,并比较分析了不同位置挡板对沉淀池污水处理效果的影响㊂詹咏[6]对絮凝池流场进行了模拟,对所存在的问题提出了改进方案㊂水解酸化工艺在废水处理中广泛应用,水解酸化过程能将非溶性大分子物质转化为溶解性小分子有机物,提高污水的可生化性,便于后续的好氧处理㊂沈鹏飞等[7]对某污水处理厂水解酸化池进行数值模拟,针对池内流速分布不均,存在大面积流速几乎为零的区域,针对性提出改进方案,但是模拟中只考虑到单相流,没有考虑池中污泥的作用;鲍军[8]对某污水处理厂原有蛇形水解酸化反应池流场及污泥淤积进行了数值模拟,并用现场观测数据进行了验证;同时,对其改造方案的升流式水解酸化池进行了污泥运动模拟㊂上述研究对水解酸化池设计㊁优化及运行等环节具有一定的指导意义,但仍然缺乏实测数据或实验模拟验证㊂本研究用CFD技术对水解酸化反应器的布水方式及搅拌桨形状进行了数值模拟及优化设计,并根据模拟结果,优化水解酸化反应器设计,随后以印染废水为研究对象,对改进优化后的水解酸化反应器处理效果进行了评估㊂1㊀实验部分1.1㊀实验装置本实验所用水解酸化反应器的有效容积为4L,底部为圆台,上下底直径分别为9,14cm,高9cm,中间是直径为14cm,高20cm的圆柱,顶部是圆柱出水堰(图1)㊂1.2㊀基于数值模拟的布水器及搅拌桨优化设计基于稳态㊁三维的欧拉-欧拉模型和k-ε湍流模型对容积为4L的水解酸化反应器内液固流动状态进行了数值模拟研究,液固相间作用力采用Huilin-Gidaspow曳力模型[9]㊂水解酸化反应器的布水器有图1㊀水解酸化反应器三维模型及实物9孔㊁19孔㊁37孔(见图2a)3种㊂填料可以作为富集微生物载体,有效防止微生物流失,故模拟增加了填料层,填料层高度为16cm,其顶部距离反应器出口4cm㊂初始时,[0,0.22]m高度范围内固相体积分数分布均匀,取值为0.3㊂颗粒均匀分布,粒径取值为100μm,密度1030kg/m3;水密度1000kg/m3,黏度0.002Pa㊃s㊂水入口采用速度入口,速度方向垂直于入口截面;液相采用无滑移边界条件㊂对螺旋搅拌和平板搅拌模型模拟时(见图2b),将桨叶及其附近区域的流体域设为旋转坐标系,该区域流体随桨叶一起转动;其他外部区域设置为静止坐标系㊂图2㊀水解酸化反应器1.3㊀废水及污泥来源实验用水取自浙江省某印染企业污水处理站调节池,同时采取该污水处理站水解酸化池污泥㊂1.4㊀水解酸化反应器启动与运行分别将现场采取的水解酸化池污泥混合液均匀倒入两组反应器(见图3),沉降后污泥至反应器体积的约1/3处,污泥浓度约为7000~8000mg /L,将聚氨酯填料加入反应器,随后加入现场采取的印染废水至反应器顶端,开启蠕动泵循环接种㊂循环接种7d后,正常载入现场采取的印染废水,废水从底部载入,流经中间填料层,缓慢上升,从顶部流出,停留时间为15h,总计运行60d,期间间隔取样,分别测定两组反应器出水COD Cr ㊁BOD 5㊁挥发性脂肪酸和脱色效率变化㊂图3㊀本研究所使用的两套水解酸化反应装置1.5㊀分析方法COD Cr 和BOD 5测定参照标准方法[10]㊂挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acid,VFA):采用㊀㊀滴定法,取100mL 水样于蒸馏瓶中,加入100g /L NaOH 调至碱性,蒸馏至瓶中体积为50~60mL 时加蒸馏水至100mL,冷却后加入10mL 体积分数10%磷酸酸化,在接收瓶中放入10~20mL 蒸馏水,并使接收瓶与蒸馏瓶的冷凝管连接,蒸馏至瓶中液体为15~20mL 时,再加入50mL 蒸馏水再次蒸馏至15~20mL,最后用0.1mol /L 的NaOH 标准溶液滴定馏出液至淡粉色不消失为止㊂脱色率:采用色度仪测定处理前后色度变化,脱色效率(r )=(A 0-A 1)ˑ100/A 0,其中A 0为初始水样色度仪读数,A 1为经水解酸化处理后水样色度仪读数㊂2㊀结果与讨论2.1㊀多孔布水的数值模拟及布水方式优化基于实际复合式水解酸化工艺考虑,填料可以作为微生物生长的载体,防止微生物大量流失,故本次模拟增加了填料层,分别对9孔㊁19孔和37孔3种布水方式的小型升流式水解酸化反应器进行了模拟,速度云图如图4所示㊂升流式水解酸化反应器内形成了中心流速高㊁边壁区域流速低的环核流动结构,这种环核流动结构将引发反应内的返混现象㊂返混可强化质量传递和反应过程㊁增强微生物与污染物的接触,提高反应器处理效率,其中37孔布水返混强度最高㊂图4㊀水解酸化反应器x 截面和y 截面速度云图㊀㊀3种布水方式的水解酸化反应器的不同y 截面的固相体积分率云图如图5所示㊂可知:随着来流的均匀分布,固相流化高度逐渐增大,但均无污泥溢出现象㊂其中,37孔布水的水解酸化反应器内的单位体积污泥量最少,有利于泥水充分反应,进而提高水解酸化效率㊂2.2㊀不同搅拌形式的数值模拟及搅拌形式优化搅拌形式分别模拟平板搅拌和螺旋搅拌,两种搅拌形式的搅拌桨叶片长70mm,宽40mm,厚度为1mm,转速为20r /min㊂速度云图和固相体积分率云图的数值模拟结果分别如图6和图7所示㊂对比图4和图6可知,搅拌进一步促进了液固两相的轴向混合和径向混合,有利于泥水充分反应;对比图5和图7可知,搅拌进一步削弱污泥分布的非均匀性,降低了淤积可能性,螺旋搅拌桨的混合效果明显优于平板搅拌桨㊂图5㊀水解酸化反应器x 截面和y截面的固相体积分率云图图6㊀不同搅拌形式的水解酸化反应器x =0截面的速度云图图7㊀水解酸化反应器x =0截面固相体积分率云图2.3㊀水解酸化处理提高印染废水可生化性根据CFD 模拟结果改进了水解酸化反应器:其中反应器1为对照,采用19孔布水,平板搅拌;反应器2为根据CFD 模拟结果改进的反应器,采用37孔布水,螺旋搅拌㊂两组反应器经7天的污泥挂膜后连续载入现场采取的印染废水,评估对比两组反应器各自的水解酸化效率:分别考察了两组反应器运行期间挥发性脂肪酸㊁脱色效率㊁COD Cr 和BOD 5/COD Cr ㊂VFA 是难降解大分子物质在水解酸化过程中重要的中间产物,可被用来衡量系统微生物的活性[11]㊂在水解酸化过程中,进出水的VFA 含量差值越大,说明水解酸化效果越好㊂两组小试装置VFA,污泥挂膜期间(前7天)两套装置VFA 差值变化不大,随后两个反应器的VFA 含量逐渐提高(图8a),反应器1(对照组)运行后40d 出水VFA 平均值为(2.58ʃ0.69)mmol /L,而反应器2(优化设计组)出水VFA平均值为(4.16ʃ0.84)mmol /L,相比对照组提高约1.6倍㊂经水解酸化处理后,经两组反应器处理后出水COD 在100~400mg /L㊂在启动挂膜阶段,两组反应器的差别不大,连续载入印染废水后,经反应器2处理后出水的COD 变化曲线显著低于反应器1(图8b)㊂印染废水含有剩余染料,脱色主要发生在厌氧阶段[12-14],因此脱色率可以作为反映水解酸化效果的一项指标㊂两组反应器的出水脱色率都随着运行时间逐步提高(图8c),反应器2运行期间(10~60天)的脱色率为37%~74%,平均脱色率约为55%,反应器1启动后的脱色率为,平均脱色率为33%~57%,平均脱色率约为45%,因此反应器通过改进优化后,平均水解酸化效率提高10%㊂印染废水中一些不溶性有机物㊁剩余染料及助剂等经过水解酸化可以转化为小分子物质,从而提高B /C [15],因此可通过监测进出水的B /C 评价两套反应器水解酸化能力㊂在启动挂膜阶段,两组反应器的出水B /C 比值缓慢提高(图8d),随后,反应器2的B /C 比值为0.26~0.42,平均B /C 比值约为0.34,而反应器1启动后的B /C 比值为0.22~0.31,平均B /C图8㊀两组水解酸化反应器运行期间水质指标变化曲线比值约为0.27,反应器通过改进优化后,B/C比值提高1.26倍㊂综上,基于CFD模拟结果,水解酸化反应器经过优化设计后,对印染废水的水解酸化效率显著提高㊂3㊀结㊀论利用CFD模拟技术,对水解酸化反应器的布水方式及搅拌形式进行了优化设计,结果表明:37孔布水表现出更高的固相体积分率,短流区域面积也是相对较小,优于19孔和9孔布水;螺旋搅拌桨不仅有横向速度,还有轴向运动速度,使得泥水混和更加均匀,降低了活性污泥淤积的可能性,优于平板搅拌桨㊂基于CFD模拟结果,对实际的水解酸化反应器进行优化设计,结果表明:经优化设计的水解酸化反应器对印染废水处理的水解酸化效率显著提高,为后续好氧生物处理处理创造了条件,上述结果验证了CFD模拟具有较高的准确性,对于相关污水处理系统各工艺单元设计㊁优化以及提高污水处理效率具有较好的指导意义㊂参考文献[1]㊀冯骞,薛朝霞,汪翙.计算流体力学在水处理反应器优化设计运行中的应用[J].水资源保护,2006,22(2):11-15. [2]㊀DEVANTIER B A,LAROCK B E.Modeling Sediment induceddensity currents in sedimentation basins[J].Journal of HydraulicEngineering,1987,113(1):80-94.[3]㊀QUEINNEC I,DOCHAIN D.Modelling and simulation of thesteady-state of secondary settlers in wastewater treatment plants[J].Water Science&Technology A Journal of the InternationalAssociation on Water Pollution Research,2001,43(7):39. 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生物反应器不同搅拌速度的计算流体力学模拟生物反应器不同搅拌速度的计算流体力学模拟及对悬浮培养cho细胞的影响及
对悬浮培养cho细胞的影响
生物反应器是用于生物过程的装置，其中搅拌速度是影响反应器内流体力学行为和细胞生长的重要参数之一。

计算流体力学（CFD）模拟是一种将流体动力学方程与计算方法相结合的数值模拟方法，可以用于分析生物反应器中不同搅拌速度下的流体行为和对细胞的影响。

通过CFD模拟，可以计算得到反应器内不同搅拌速度下的流
场分布、液体的速度和压力分布，并进一步分析流体的剪切力、混合程度等参数。

这些参数对细胞生长、传质和代谢活性等有着重要的影响。

对于悬浮培养CHO细胞来说，搅拌速度对培养过程中细胞的
悬浮状态、生长和代谢产物的产量都有直接影响。

通过CFD
模拟，可以预测不同搅拌速度下细胞的受力情况、气泡的尺寸和分布等参数，进而优化反应器设计和操作条件，以提高
CHO细胞的生长和代谢活性。

例如，较低的搅拌速度可能导致细胞沉降或聚集，影响氧气和营养物质的传递，从而限制细胞生长和代谢产物的产量。

而较高的搅拌速度可能导致细胞受到较大的剪切力和机械应力，对细胞造成损伤和破坏。

因此，通过CFD模拟可以评估不同搅拌速度下细胞受力情况
和培养环境的变化，为优化细胞培养过程提供重要的参考和指
导。

在实际操作中，可以根据CFD模拟结果选择合适的搅拌速度，以提高CHO细胞的生长和代谢活性，进而提高产量和质量。

第22卷第6期2011年12月水资源与水工程学报Journal of Water Resources ＆Water EngineeringVol．22No．6Dec ．，2011收稿日期：2011-08-16基金项目：上海市教委重点学科建设项目（J50502）；上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1102）作者简介：黄远东（1965-），男，湖南邵阳人，博士，教授，从事河流动力学及环境模拟技术的研究。

CFD 在水处理反应器研究中的应用进展黄远东，顾静，赵树夫，周中华，姜剑伟（上海理工大学环境与建筑学院，上海200093）摘要：计算流体动力学（CFD ）已在水处理反应器研究中得到了较为广泛的应用。

本文综述了CFD 技术在固液分离反应器、生物处理反应器以及化学处理反应器研究中的应用现状，并指出了应用中所存在的不足，进而提出了CFD 应用于水处理反应器模拟中有待进一步研究的问题。

关键词：计算流体动力学；水处理；反应器；数值模拟中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-643X （2011）06-0011-05Application progress of CFD in study of water treatment reactorsHUANG Yuandong ，GU Jing ，ZHAO Shufu ，ZHOU Zhonghua ，JIANG Jianwei（School of Environment and Architecture ，University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China ）Abstract ：Computational fluid dynamics （CFD ）has been widely utilized in the study of water treatment reactors．This paper firstly reviewed the application status of CFD in the study on solid －liquid separation reactors ，biological treatment reactors and chemical treatment reactors ，and then pointed out the weakness of CFD application in modeling reactors．This paper finally put forward some important issues for further usage of CFD in simulating water treatment reactors．Key words ：computational fluid dynamics ；water treatment ；reactor ；numerical simulation0引言计算流体动力学（computational fluid dynamics ，简称CFD ）是流体力学的一个重要分支，其通过数值求解流体运动（单相流动或多相流动）控制方程来获取流场的基本信息。