第一章  緒論

人類和水的關系十分密切，不論是生活或生產(chǎn)活動都離不開這一寶貴自然資源。我國的水資源總量豐富，2010 年全年水資源總量達 28470 億 m3。我國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量為190.6 m3，生產(chǎn)工藝的相對落后和人們節(jié)約水的意識薄弱，造成了水質(zhì)量惡化。2012 年環(huán)境統(tǒng)計年報指出：全國廢水排水總量 684.8 億 t，其中工業(yè)廢水排放量 221.6億t，生活污水排放量462.7億t；化學需氧量排放2423.7萬t，氨氮排放量253.6萬 t[1]。此外，包括了多氯聯(lián)苯（PCBs），多環(huán)芳烴（PAHs）等持久性難降解有機污染物（POPs）也是造成水環(huán)境污染嚴重的一個重要方面。處理上述各種（污）廢水中的污染物，使其歸一化為無害物質(zhì)如 CO2和 H2O 的過程技術(shù)仍然是以生物方法為主體，同時也是應用得最廣泛的（污）廢水處理方法。在生物處理中，廢水中的有機物一部分被微生物吸收并分解成簡單無機物，同時放出能量，作為微生物自身生命活動的能源。另一部分有機物則作為其生長繁殖所需要的構(gòu)造物質(zhì)，合成新的原生質(zhì)。生物質(zhì)在反應器內(nèi)更新、成長、老化，，不斷循環(huán)，污泥負荷以及微生物的生長曲線相對穩(wěn)定，停留時間也是固定的。在這過程中，一方面基于對原水水質(zhì)的全面了解，包括污染物組成和數(shù)量，適應水質(zhì)水量的變化，工藝流程得以確定；另一方面，（污）廢水生物處理過程中發(fā)生生化反應的構(gòu)筑物稱為反應器，可按操作方式和物料的流態(tài)方式的不同進行分類，除了配合工藝要求外，每種反應器的設計都可從流體力學、傳質(zhì)與傳熱和反應動力學等方面進行優(yōu)化。
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第二章  CFD基礎理論及其模型概述

2.1 計算流體力學基礎理論
利用有限差分法生成網(wǎng)格，并用數(shù)值工具代替具連續(xù)性的偏微分方程后，我們將選用某種方法并使用上述數(shù)值工具求解給定問題。這些方法可歸納成兩類——顯式方法和隱式方法。顯式方法是每個差分方程只含有一個未知數(shù)，所以可用直接計算的方法顯式求解這個未知數(shù)；而隱式方法就是針對網(wǎng)格點上的差分方程在時間和空間不是獨立的情況，必須要形成一個代數(shù)方程組同時求解。相比顯式方法而言，隱式方法比較復雜，然而，它們中一個重要的區(qū)別限制了20 世界80 年代時顯式方法的使用。那就是在求解非定常問題上，差分方程中的?x 一旦確定了，?t則受到穩(wěn)定性條件的限制，其值必須足夠小以保持穩(wěn)定性，這樣會使鐘面計算時間大幅度延長。相反，隱式方法沒有穩(wěn)定性限制，可取用比顯式方法大得多的?t ，故在計算給定的時間變量時，盡管隱式方法的計算復雜，但所用的時間步數(shù)比顯式方法少得多，所以總的運行時間反而更少。

2.2 CFD基礎模型概述
運用三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程對流動進行直接數(shù)值計算時，需要采用很小的時間步長和網(wǎng)格才能分辨出湍流中變化劇烈的時空特征。目前處理湍流數(shù)值計算有三種方法，分別是雷諾平均N-S（RANS）方法、大渦模擬（LES）方法和直接數(shù)值模擬（DNS）方法。目前唯一能用在實際工程上的是RANS 方法，該方法將湍流的瞬間運動分解為脈動運動和平動運動，然后把前者對后者的貢獻用雷諾應力項來�；�。這種方法將Navier-Stokes 方程對時間進行平均后，得到的關于時均物理量的控制方程包含未知量，無法直接求解，要使方程封閉，通過引入湍流模型來實現(xiàn)。湍流模型就是把未知的更高階的時間平均值表示為較低階的計算中可確定的量的函數(shù)。

第三章 底隙十字擋板對四邊形流化床流體力學性能優(yōu)化數(shù)值模擬 ........................ 22

3.1 前言 ......................................... 22

3.2 模型建立 ................................22

第四章 十字形與漏斗型內(nèi)構(gòu)件耦合強化四邊形流化床流體力學性能模擬研究 .... 34

4.1 前言 ............................34

4.2 模型建立 .....................................5

第五章 基于污廢水處理的四邊形流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)反饋數(shù)值模擬 ............................ 45

5.1 前言 ............................. 45

5.2 模型建立 ............................ 46

第五章  基于污廢水處理的四邊形流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)反饋數(shù)值模擬

5.1 前言
經(jīng)過文獻調(diào)研，研究者較多利用 CFD 工具對反應器進行二維模擬，這樣可以節(jié)省計算機資源與時間成本，但對流體在三維空間特定局部的流動行為缺乏全面了解，事實上，也有研究表明[91]，二維平面模擬與實驗結(jié)果存在不如理想的偏差。對比起圓柱形流化床，四邊形流化床的建造難度和成本低，增容潛力大，有利于大型工程化，已經(jīng)在本課題組主持的數(shù)十個廢水工程上應用，并運行良好。借助三維數(shù)值模擬，對四邊形流化床進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進一步為四邊形流化床尋找降低能耗，提高效能的指引。本章選取了文獻中綜述影響含導流筒（或?qū)Я靼澹┑臍馍椒磻餍阅艿娜惤Y(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是導流筒與反應器的邊長比、導流筒與底部距離和導流筒與液面距離，以氣含率、液體循環(huán)速度等流體力學性能指標為主要評價手段，為揭示四邊形流化床從中試向工業(yè)放大邁進方向的可視化與智能化提供捷徑。 

5.2 模型建立
運用SIMPLE算法求解速度壓力耦合方程。一階迎風格式用作動量、湍動能和湍流耗散率的離散格式，QUICK 格式用作體積分數(shù)的離散格式，同時，使用 Fluent 默認的松弛因子。本章研究模擬非穩(wěn)態(tài)過程，采用0.003 s 的時間步長，每個時間步迭代50 次。所有變量的收斂標準殘差值設為 1×10-3，計算收斂且進出口流量和監(jiān)測面的液體循環(huán)速度和氣含率波動在5%之內(nèi)則認為達到穩(wěn)態(tài)，停止迭代計算。 所有計算采用并行計算，在 Intel Core i7 3.5GHz 四核CPU，16GB內(nèi)存的計算機上進行。每個數(shù)據(jù)的計算時間約為150 h。
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結(jié)論與展望

（1）針對四邊形內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)氣液兩相流動，在 Gambit 軟件構(gòu)建三維模型的基礎上，利用Fluent軟件Eulerian-Eulerian雙流體模型通過可視化功能描述床內(nèi)復雜流動特征，解析反應器流場微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明數(shù)值模擬手段可作為指導廢水處理生物反應器進步方向的工具，并指導其工業(yè)設計與應用。 （2）底隙區(qū)置入十字擋板的整流作用可明顯降低流體在流化床底部非彈性碰撞而造成的水頭損失，使四邊形流化床內(nèi)上升區(qū)和下降區(qū)液體循環(huán)速度最大提升了 15.7%和15.0%。內(nèi)構(gòu)件能使流化床內(nèi)液體循環(huán)速度在上升區(qū)截面較均勻分布，令其峰值最大下降24.1%。在模擬好氧處理工況條件下，此內(nèi)構(gòu)件降低系統(tǒng)能耗作用更佳，湍流動能耗散率下降31.9%。數(shù)值解析表明基于污（廢）水處理對反應器流體力學性能的要求，底隙十字擋板實現(xiàn)了對四邊形流化床水力條件和系統(tǒng)能耗的優(yōu)化。
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參考文獻（略）