【摘要】：生物絮團(tuán)技術(shù)因契合高密度養(yǎng)殖需求,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)無污染與處理過程資源化等優(yōu)點(diǎn),已成為近來行業(yè)研究熱點(diǎn)。其生產(chǎn)過程中,隨著營養(yǎng)鹽輸入強(qiáng)度增加,導(dǎo)致養(yǎng)殖池內(nèi)總固體懸浮物濃度逐漸上升。此外,因養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)不合理或工況參數(shù)設(shè)置不當(dāng),易造成絮團(tuán)在養(yǎng)殖池底部沉積,進(jìn)而引發(fā)底部溶解氧降低和水體渾濁度升高,影響?zhàn)B殖對象的攝食欲望,產(chǎn)生慢性脅迫并最終影響經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此,循環(huán)式生物絮團(tuán)技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)液相流動,有效改變養(yǎng)殖池的流場,同時,固液分離裝置的使用,能及時將多余的絮團(tuán)顆粒去除。理論上能夠克服生物絮團(tuán)系統(tǒng)總固體懸浮物濃度不穩(wěn)定和養(yǎng)殖池底部生物絮團(tuán)過量沉積的弊端,但相關(guān)操作的水力學(xué)特性研究鮮有報道。由于系統(tǒng)水體渾濁,利用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法研究循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)養(yǎng)殖池流態(tài)和絮團(tuán)顆粒分離,存在過程復(fù)雜、成本高和效率低的弊端。隨著計算機(jī)軟硬件的提升,計算流體動力學(xué)逐漸被應(yīng)用于各領(lǐng)域,其能夠按照要求設(shè)定各種試驗(yàn)條件,試驗(yàn)周期短且可重復(fù)性高,信息獲取全面且具有可視化效果強(qiáng)的特點(diǎn),能有效規(guī)避上述問題。論文針對上述情況,以中試規(guī)模的循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)為研究對象,開展了該系統(tǒng)主要組成部分(跑道式養(yǎng)殖池和渦旋分離器)的模擬和試驗(yàn)研究。相關(guān)研究對于分析跑道式養(yǎng)殖池和新型固-液分離的內(nèi)部流場以及提高養(yǎng)殖池內(nèi)生物絮團(tuán)顆粒分布均勻性和渦旋分離器的分離效率具有重要意義,可為循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)內(nèi)總固體顆粒物精確管理以及養(yǎng)殖水體固體廢棄物的高效分離提供理論依據(jù)。具體研究結(jié)論如下:1)針對跑道式養(yǎng)殖池有效養(yǎng)殖水體大小,綜合多種渦旋分離器設(shè)計方法,確定了新型固-液渦旋分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸。運(yùn)用模型相似原理,完成了試驗(yàn)規(guī)模的渦旋分離器模型的制作,并以此模型為基礎(chǔ)完成了相關(guān)PIV試驗(yàn)。結(jié)果表明:PIV試驗(yàn)由于激光能量一定,其穿透能力有限,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型的PIV試驗(yàn)的流場結(jié)果依然有待改進(jìn);另一方面,不同HRT條件下,渦旋分離器內(nèi)套筒內(nèi)部區(qū)域的左下角和上部區(qū)域均表現(xiàn)一定的渦旋,同時隨著HRT的加快,中間內(nèi)套筒內(nèi)的顆粒速度方向大致相同,只在筒壁附近產(chǎn)生小的二次流,同時沉積倉內(nèi)的顆粒速度方向亦趨于一致,而HRT加快對軸向和徑向的合速度分布影響并不大,且不同大小速度占據(jù)的比例相同,同時對于不同工況下順時針和逆時針渦量大小基本相同,HRT越慢流場的渦量就相對越小,并隨著HRT加快渦量分布趨向均勻。2)針對渦旋分離器內(nèi)清水流場確定了數(shù)值模擬方法,包括高質(zhì)量網(wǎng)格的劃分、相關(guān)湍流模型的選擇以及離散格式和離散方法的確定。將HRT為248s時渦旋分離器的模擬結(jié)果和PIV試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算和試驗(yàn)結(jié)果吻合相對較好,證明了所建立模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上分別以歐拉-歐拉方法和歐拉拉格朗日方法進(jìn)行更深入的模擬,研究渦旋分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工況變化對渦旋分離器分離效率的影響以及歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法在模擬渦旋分離器固液分離方面可靠性的差異。結(jié)果表明:渦旋分離器內(nèi)部流場為強(qiáng)旋流流動,以切向分速度為主,徑向分速度和軸向分速度較小。由于流動的不穩(wěn)定性或空間結(jié)構(gòu)的非軸對稱性,旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)中心和空間的幾何中心存在一定的偏移。在一定條件下,隨著內(nèi)外筒徑比α的增加,套筒內(nèi)流場湍流加劇,且在進(jìn)水口相對位置和套筒內(nèi)部渦旋加劇。當(dāng)α大于1.5后,渦旋分離器出口固相體積分?jǐn)?shù)由0.465增加至0.496,并當(dāng)α大于2.0后,出口固相體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。通過試驗(yàn)對比,歐拉-歐拉方法模擬結(jié)果可靠,雖然通過出口固相體積分?jǐn)?shù)來計算渦旋分離器分離效率的精確度有待提高,但其與分離效率實(shí)測結(jié)果的變化規(guī)律一致,故可以通過渦旋分離器出口固相體積分?jǐn)?shù)的高低判斷其工作性能的優(yōu)劣,同時,在設(shè)計循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器時α取1.5效果較好。另一方面,針對同一渦旋分離器,其分離效率隨著HRT的增加有所提高,對于歐拉-拉格朗日方法的模擬,當(dāng)HRT大于31s時,其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度相對較高,且計算精度高于歐拉-歐拉方法。最后為實(shí)現(xiàn)RBFT系統(tǒng)TSS的精確智能化管理,提出了渦旋分離器簡化的操作模型:VHDVSFV0ρfrlst=[Mp-(Mu +Md)]THRT。3)以中試規(guī)模跑道式養(yǎng)殖池為研究對象,采用三維網(wǎng)格和歐拉-歐拉方法的非穩(wěn)態(tài)模型對其清水流場進(jìn)行數(shù)值計算。結(jié)果表明:將計算域劃分為大約32W網(wǎng)格計算時模擬結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān);通過監(jiān)測不同位置處流場速度分布,可知不同的k-ε湍流模型對養(yǎng)殖池清水流場的模擬結(jié)果具有一定影響,并根據(jù)對所設(shè)監(jiān)測點(diǎn)處模擬速度與試驗(yàn)速度的偏差大小的統(tǒng)計,確定標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的監(jiān)測點(diǎn)位置流體速度分布與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合相對較好,同時,通過對各監(jiān)測點(diǎn)誤差大小的計算分析,進(jìn)一步驗(yàn)證模擬涉及的計算模型具有一定的可靠性。綜合考慮,對于不含養(yǎng)殖對象的跑道池32W網(wǎng)格已滿足計算要求,同時標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流更適合跑道式養(yǎng)殖池流場數(shù)值計算。4)以歐拉-歐拉多相湍流模型為理論框架,對RBFT系統(tǒng)跑道式養(yǎng)殖池進(jìn)行氣-液-固多相流模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證,討論了不同工況、是否含有養(yǎng)殖對象以及渦旋分離器與養(yǎng)殖池耦合的全流場模擬對液相速度流場和固相分布特性特性的影響。結(jié)果表明:在相同條件下,RBFT系統(tǒng)能很好改善養(yǎng)殖池流場,提高絮團(tuán)顆粒分布的均勻性,減少絮團(tuán)顆粒的沉積,并當(dāng)養(yǎng)殖池水力停留時間達(dá)到2h時,其絮團(tuán)顆粒的沉積問題得到初步解決,并隨著水力停留時間進(jìn)一步加快,流場的改善程度不明顯。其次,養(yǎng)殖對象的存在對養(yǎng)殖池流場有一定的影響,相同進(jìn)水條件下,其整體液相速度高于沒有養(yǎng)殖對象的養(yǎng)殖池內(nèi)液相速度;在固相分布方面,養(yǎng)殖對象的存在將會增加固相顆粒的沉積,但總體固相沉積量不高,相對原位BFT系統(tǒng)無魚養(yǎng)殖池亦有較大改善。綜合考慮,在養(yǎng)殖對象存在的條件下,生產(chǎn)中水力停留時間控制在0.5-2h的范圍,跑道式養(yǎng)殖池流場較佳。
【圖文】：

１．２循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)介紹逡逑循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖１－１所示，其主要由氣泵、養(yǎng)殖池、曝逡逑氣裝置、循環(huán)水泵、流量計（氣體和液體）及固液分離裝置等組成。其中，養(yǎng)殖池逡逑內(nèi)存在氣液固三相，氣體主要由養(yǎng)殖池內(nèi)養(yǎng)殖水表面溢出，而液固循環(huán)水泵的作用逡逑下，通過養(yǎng)殖池出水口進(jìn)入固液分離裝置，隨后被分離出部分絮團(tuán)顆粒養(yǎng)殖水體回逡逑流至養(yǎng)殖池。逡逑循環(huán)式生物絮團(tuán)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)生物絮團(tuán)系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性，并可歸納為逡逑以下兩個方面，一是該循環(huán)式系統(tǒng)將含有生物絮團(tuán)的養(yǎng)殖水體同養(yǎng)殖對象分開，以逡逑確保能夠應(yīng)用更多的固液分離方式去除額外的生物絮團(tuán)顆粒，，從而控制養(yǎng)殖池內(nèi)養(yǎng)逡逑殖水體內(nèi)總懸浮顆粒物濃度在養(yǎng)殖對象適宜的生長范圍；二是由于養(yǎng)殖池水體的循逡逑環(huán)，對養(yǎng)殖池內(nèi)養(yǎng)殖水體的流場有所改善，可在一定程度上促進(jìn)絮團(tuán)顆粒和溶解氧逡逑的均R植跡跎傺吵嗇謁狼謀壤苊庥瀉Σ【牟�，确保生午汋团系蜎_義系奈榷ǎǎ冢瑁酰澹簦幔歟�，２０１６）。辶x希殄澹危桑睿媯歟酰澹睿艚危祝幔簦澹蟈危粒椋蟈澹疲歟錚鰨恚澹簦澹蟈義

本文編號：2659688