数值模拟气液流在牛顿液体泡沫柱通过间歇曝气/非牛顿液体

文摘

气液两相流模拟的动态行为在实验室规模断断续续的泡罩塔Euler-Euler双流体模型加上PBM(人口平衡模型)使用两种不同的液体阶段,即。牛顿流体(水)/非牛顿流体(活性污泥)。非牛顿流体在间歇曝气时,一些有趣的结果。两个对称的漩涡中存在时均流场;液相的纵向时均流速和增加厌氧时间减少;平均气体停滞分布就像一个梯形,上面长和短低,液相的动态粘度的影响。与非牛顿流体相比,使用牛顿流体液相导致更复杂的时均流场结构和纵向时均流速分布,更高的平均气体停滞,不对称的湿气体停滞与增加厌氧时间分布。为不同液相、瞬时流场瞬时垂直速度,和气泡羽流瞬时浓度场分布周期性地改变了厌氧时间;然而,不同于牛顿液相,液相非牛顿没有周期性振荡瞬时水平速度。

1。介绍

作为一个曝气反应器,泡沫列广泛用于废水处理研究由于其价格低廉,容易运输,和高传质特性(1- - - - - -4]。泡罩塔主要是通过实验研究和数值模拟5,6]。数值模拟广泛用于研究泡沫柱由于其良好的经济和获取信息的能力在整个泡沫列,如速度分布、气相分布和湍流能量。阿里et al。7,8)实验和数值模拟方法用于数值模拟矩形泡沫的列。数值模拟,考虑不同的阻力模型的影响,模拟方法,模拟结果和模型的维度。结果表明,不同的阻力模型不显著影响预测的速度,和Euler-Euler方法建立了仿真结果要更好的方法。王等人。9]CFD-PBM用于模拟泡沫列,和他们的预测结果表明,该模型是有效的气泡大小分布,界面区域,气液传质速率,等等,在泡沫列。古普塔和罗伊10)使用数值模拟的PBM矩形泡沫柱通过考虑泡沫破碎和聚结,分析不同的破损和聚结方程和升力和虚拟质量力的影响流场和泡罩塔的气体含量。

纯水在牛顿流体总是用作液相在泡沫列在上面的模拟,但一些研究人员正在研究活性污泥(非牛顿流体)。应该注意的是,液相泡罩塔时活性污泥作为污水处理设施。活性污泥是不透明的,所以很难有效地测试在泡罩塔流场粒子图像测速(PIV)技术和激光多普勒测速仪(LDV)和获取流态和泡沫列中的流动特性。风扇等。11)使用的聚苯乙烯微球,而不是实验室规模的实验研究活性污泥氧化沟的PDA(粒子动态分析仪),但没有考虑到活性污泥作为非牛顿流体(12,13]。流变特性的液体,透明的牛顿流体,如羧甲基纤维素钠水溶液(CMC)或黄原胶溶液,实验总是被用作液相(14- - - - - -16]。Passos et al。17]另外使用非离子表面活性剂Triton x - 100修改表面张力的非牛顿解决方案,发现气泡的直径降低了。Dapelo et al。18CMC作为液体)用于厌氧消化装置的数值模拟的基础上,建立了方法,发现粘度相对简单的模型模拟的结果没有影响。Bandyopadhyay和达斯19)使用非牛顿假塑性幂律模型模拟流过手肘下非牛顿液体和获得理想的结果。吴(20.)进行气液厌氧消化池的数值模拟,考虑非牛顿液体的影响。结果表明,低雷诺数k- - - - - -ε模型比其他湍流模型,气液混合效率依赖于混合机理和泵循环,但他使用牛顿流体的阻力模型。之间有不同阻力方程牛顿和非牛顿流体21),所以仿真结果评估。

然而,大多数液相对气液两相流的数值模拟泡沫柱是牛顿流体,这是一种罕见的文学动态行为牛顿/非牛顿液体的气液两相流在一个间歇充气泡沫柱。因此,Euler-Euler双流体模型加上PBM (EEPBM)本文用于气液两相流的数值模拟实验室规模泡沫柱,分析泡沫流体的动态行为的列,如气体停滞分布、液相流场,液相速度场,根据对比实验(22和验证的数学模型。阻力方程和间歇曝气控制的非牛顿流体模拟UDF(用户定义的程序)。研究结果为优化设计提供参考和指南的间歇曝气的泡罩塔废水处理。

2。数学模型

一个Euler-Euler双流体模型(EE)被用来模拟气液两相流,和PBM被认为模拟泡沫聚结和破损。在模拟过程中,气液界面传热是忽视,和两个阶段被认为是不可压缩流体。我们采用了活性污泥和水的混合物的假设是一个单相液体(23]。

2.1。Euler-Euler双流体模型

质量守恒方程:

动量守恒方程: 在哪里是体积分数;是密度,公斤/米³;剪切应力,Pa,决定从方程(8);的压力,Pa;重力加速度,9.8 m / s²;的阶段划分,气相和l液相;F是两相相间力、阻力和升力部队被认为是在本文10]。两相界面力计算如下:

拖拽力和升力在这项工作考虑。升力的计算如下: 在哪里升力系数,0.5 [24]。

阻力可以确定如下: 在哪里是泡沫直径。阻力系数模型可以表达如下考虑在非牛顿流体流变特性的影响(25]:

因为牛顿和非牛顿流体表现出不同的流动行为,雷诺数的定义为非牛顿流体(牛顿流体是无效的26]。因此,非牛顿流体的雷诺数球形泡沫计算如下(27]: 在哪里K粘度系数,公斤/ (m·sn), 0.0741和n流变指数0.49。的公式计算气体和液体之间的阻力牛顿液相见文献[28]。

RNG紊流效果建模k- - - - - -模型。这通常湍流模型应用于预测液体流动模式和气体停滞在低表面气体速度由于其简单的算法和计算成本低(5,29日]。

2.2。人口平衡模型

为了研究泡沫的泡沫破裂和聚结现象列,人口平衡模型可以应用于计算气泡大小分布。根据研究者的研究(30.,31日),人口平衡方程可以表示如下: 在哪里气泡大小分布函数;B⁺,B⁻,C⁺,C⁻由于聚结,出生死亡由于聚合,出生由于破损,由于破损和死亡,分别;和u_我的平均速度是我th泡沫,m / s。离散方法用于解决(32方程(8)。破裂现象的模拟进行了使用罗和斯文森主持[31日)模型。罗[提出的模型33我是用于聚结过程的建模。本文中描述的合并和破碎模型被用来研究泡沫柱的数值模拟[5,10,22]。数量的情况下,我= 1到10,代表了泡沫的10组(22]。

3所示。建模和计算

3.1。物理模型和网格

阿里et al。7]发现泡沫列有相同的2 d和3 d模型预测的速度,和二维模型能反映泡罩塔的气液两相流的行为。因此,创建一个二维模型,如图1(一)长度和宽度= = 0.45米,0.2米。进气口被建模为一个矩形区域的长度0.018米的底部域中心,代表实验分布器设置。如表所示1和图1 (c)建模,我们根据距离14种不同情况下的进气口中心底部中心泡罩塔以及液体的性质。在仿真中,空气密度被设置为1.29公斤/米³1000公斤/米,水密度³粘度0.001787 Pa∗年代,气液表面张力0.072 N / m。

3.2。计算案例

在14个不同间歇曝气计算情况如表所示1,1 - 7是牛顿液体(纯净水),并为非牛顿液体情况下8 - 14(活性污泥)。例1、2和7有相同的流和曝气时间比厌氧时间,而案例3、4、5、6有不同的曝气时间厌氧时间的比率。曝气气相速度为0.0024米/秒,和气体速度是0 m / s的厌氧时间。更准确地描述间歇曝气,例1是作为一个例子。气相速度为0.0024米/秒和0 m / s 40 s-43和43 s-46年代,分别一个周期是6年代,曝气时间对厌氧时间的比例是1:1。UDF的速度是随时间变化的。指出,本文旨在描述泡沫柱中的动态行为曝气时间和厌氧时间。基于计算量,集曝气时间和厌氧时间短。

3.3。计算

的有限体积法离散化方程的部分1;体积分数被快速分化模式;项目的时间由一阶治疗方案;其他项目被通过一个二阶逆风离散化方案;压力和速度的耦合通过Semi-Implicit Pressure-Linked方程方法(简单);入口被设定一个天然气阶段。速度入口边界条件被使用,表面气体速度为0.0024米/秒;出口将气体边界条件(34,35),而其他物理边界将实壁边界条件。残余误差设置为10⁻⁵,0.01秒的时间步长;的最大迭代数30。1000步在稳态计算,然后计算了下连续供气40年代的非稳定状态。在40年代的数据被用作初始场。间歇曝气的持续时间从40年代到220年代。在这篇文章中,流利的15.0是用来模拟的例子。

4所示。验证

4.1。网验证

对于例1表的物理模型1在四种不同网格数量,我们模拟了曝气的纯水(牛顿流体),得到了仿真数据对全球天然气泡罩塔的抢劫。在表2最大迭代数和时间步长,每一个步骤进行了讨论。

如表所示1,时间步长和最大迭代次数影响仿真结果。气体停滞的差异之间的仿真和实验都证明是非常类似于10050年的网格数量。当网格数量增加到22725人,仿真结果与实验数据相比并没有改善。一些研究者还发现这种现象,这可能与湍流谱(35,36]。然而,上述验证仍无法显示气体停滞分布之间的比较和实验结果。因此,进一步验证了气体停滞分布进行了部分4所示。2。

4.2。流动显示:实验与模拟的结果

气体停滞分布的模拟与上述物理模型和数学方法如图1,总网格数是10050。通过比较与实验观测结果如图2,我们发现模拟气体停滞的瞬时类型分布是s形;入口区域附近的气体停滞是最大值,同时出口附近的气体停滞区域很低。模拟气体分布面积从底部到顶部逐渐增大,气体停滞分布模拟现象都与实验观察一致。

为了进一步验证仿真结果的正确性,全球天然气抢劫和羽段时间从模拟与实验结果进行比较。除此之外,我们还使用了EE模拟气相流大小均匀的泡沫的泡罩塔为了验证EEPBM的优点。如表所示3,气体停滞的错误由EEPBM实验是0.3%,小于,EE (2.6%)。此外,模拟气泡羽流振荡周期表明,EEPBM优于Euler-Euler双流体模型,误差在气泡羽流振荡周期与实验数据相比,1.8%和3.2%。

尽管EEPBM模型小从EE模型仿真结果上的差异,实际上EEPBM模型把现有的泡沫聚结和破损泡沫列进去。因此,EEPBM模型用于计算。

5。结果与讨论

5.1。时均液相流场和速度场

图3显示了液相的时均流场。牛顿流体是用作液相图3(一个)- - - - - -3 (g)。当厌氧时间低于9 s如图3(一个)- - - - - -3 (e),主要两个近似对称的漩涡中存在泡沫柱,及其中心位于中间低泡罩塔的一部分。遵守时间上的连续曝气的结果在低速度由Diaz et al。22]。这意味着在厌氧时间短,曝气方式没有显著影响牛顿流体的流场。当上面的厌氧时间9 s如图3 (g)和3 (f),流场中有几个不对称漩涡泡罩塔和一个复杂的结构可能是因为(1)曝气停止时,液相速度逐渐降低泡沫列,(2)厌氧时间太短,液相速度降低很少,可以保持相对稳定,流场和漩涡时均流场近似对称的,和(3)相反,当厌氧时间长,速度降低了很大,和泡罩塔的流场变化分析,导致一些漩涡,漩涡分布变化,复杂的时均流场的结构。

数据3 (h)- - - - - -3 (n)显示了时均流场的非牛顿流体为液相,表明流场在不同的比率是相同的曝气时间的厌氧和厌氧时间,即。对称的,x=0.1米。曝气时间比厌氧和厌氧时间没有显著影响非牛顿流体的流场的液相泡罩塔可能是因为受到非牛顿流体的流变行为的影响后,气体从低动态粘度液相区,形成一个向上的路径泡沫柱底部的气体,而液相是由气相,导致流场的对称漩涡。液相将进一步的动态粘度在5.4节描述。

数据4(一)- - - - - -4 (d)显示了纵向时均流速的液相高度y=0.225米,数据4(一)和4 (b)显示了牛顿流体的时均速度分布,和数字4 (c)和4 (d)显示了非牛顿流体的时均速度分布。它可以从图中找到4液相是由气相流动通过列顶部列墙在双方最后回到列下,液相的纵向时均流速大的中小双方液相是否牛顿和非牛顿流体。图4(一)表明,在相同的曝气时间比厌氧时间,例1,2,和7有相同的液相的垂直速度峰值;然而,当厌氧时间增加,液相的时均速度是更大的在左边比右边的墙墙,和峰值发生明显的中心搬到正确的,因为流场结构变化的影响。图4 (b)以不同的比率显示,当厌氧时间很短的曝气时间厌氧时间,液相的纵向时均流速近似对称分布,如例3 - 5所示;厌氧时间增加时,速度是更大的在正确的墙比左墙,如案例6所示;减少曝气时间比厌氧时间、速度峰值逐渐降低,因为曝气的数量减少。

图4 (d)表明牛顿流体、非牛顿流体的速度峰值逐渐降低,减少曝气时间比厌氧时间。在数据4 (c)和4 (d)厌氧时间长时,液相的垂直时均速度仍对称情况下13和14所示。此外,它被发现在比较数据4(一)和4 (c)和比较的数据4 (b)和4 (d)液相有纵向时均流速峰值远高于相同的曝气条件下牛顿流体可能是因为气相液相分布面积小于牛顿(部分5.2)高度y=0.225m。这意味着,当气相流动在一个小区域,时均速度增加,导致更高的时均速度垂直液相后驱动的。在比较过程中发现速度高峰值相同的曝气时间比厌氧时间的情况下8,9,并在图144 (c)厌氧时间越短,速度峰值越高可能是因为曝气时停止一段时间,液相的垂直速度下降很少,和高垂直速度可以达到在再充气。不同于牛顿流体,非牛顿流体的时均速度v型分布在泡罩塔的两面墙壁附近也许是因为墙壁附近的高动态粘度(部分5.4)。

5.2。气泡羽流时均浓度场分布

图5显示了气泡羽流时均浓度场分布。对于牛顿流体,气体停滞了大约柱状分布在厌氧时间短,如图5(一个)- - - - - -5 (e)。厌氧时间长时,气体发生持枪抢劫的不规则分布如图5 (f)和5 (g)。此外,数据5 (c)- - - - - -5 (f)表明,减少曝气时间比厌氧时间,两种气体停滞分布面积和高气相体积分数逐渐降低,表明曝气时间比厌氧时间直接影响气体停滞分布区域。数据5(一个),5 (b),5 (g)显示气体停滞分布在同一曝气时间比厌氧时间。随着厌氧时间、气体停滞分布逐渐变得不对称。

数据5 (h)- - - - - -5 (n)显示了非牛顿流体气体气相体积分数分布,表明有对称分布,即:长上面和短的梯形低。数据5 (h),5(我),5 (n)显示了相同的气体停滞分布在同一曝气时间比厌氧时间。数据5(我)和5 (n)有更大的气体体积分数分布面积比图5 (h),这似乎并不符合气体含量,因为数据5(我)和5 (n)有较小的气体体积分数分布面积比图5 (h)。数据5 (j)- - - - - -5(米)显示了气相分布在不同曝气时间厌氧时间的比率。随着时间减少曝气时间比厌氧,气相分布面积逐渐减少,和高气相体积分数区域减少,。此外,对于非牛顿流体为液相,气相体积分数区域有v型分布在中间和上部泡罩塔的中心,而气相体积分数的midzone低可能是因为高动态液相的粘度泡沫列(中间的部分5.4)。

总之,气体停滞分布是影响房地产泡沫的液相柱相同的曝气方式。对于牛顿流体,大约是柱状气相分布。不同于牛顿流体、非牛顿流体的梯形分布,和低气相分布面积很大的泡罩塔的顶部。

5.3。全球天然气持枪抢劫和泡沫直径

进一步分析曝气时间的影响和厌氧气体停滞时间,时间上的全球天然气泡罩塔决心持枪抢劫。牛顿流体、气体停滞在一个泡罩塔逐渐下降到高原与增加厌氧时间的曝气时间比厌氧时间,如例1所示,2,在图76。平均气体停滞的最大厌氧时间是0.00344十年代也许是因为在曝气时间比厌氧时间,厌氧时间越短,越强湍流能量,气液混合强度越高,更高的气体停滞。随着时间缩短厌氧曝气时间的比例,平均气体停滞逐渐下降主要是因为曝气的数量减少。非牛顿流体有相同的气体停滞变化为牛顿流体。此外,牛顿流体气体停滞大大高于非牛顿流体在相同条件下。这符合研究结果杜兰et al。37因为更高的气体速度比牛顿流体的非牛顿流体。

泡罩塔的主要参数,泡沫直径预测非常重要的气液传质泡沫柱。它可以从图中找到7之间的均值泡沫直径是0.0054和0.0062米。在比较过程中发现的情况下3 - 6不同厌氧时间,牛顿液体,均值泡沫直径逐渐减少因为曝气的数量减少。对于非牛顿液体,泡沫直径没有显著差异,和曝气方式没有显著影响泡沫直径均值。此外,液相的财产明显影响了均值泡沫直径,和非牛顿液体小得多比牛顿液体泡沫直径相同的曝气条件下。

5.4。瞬时液相的动态粘度

更大的动态粘度流体,流体流动性越弱。研究动态粘度分布在不同的通气模式帮助进一步披露速度和气体停滞的原因分布。图8显示的动态粘度分布的非牛顿液体泡沫列在162年代的曝气时间,给出了指数分布的动态粘度小于0.05,超过1.0公斤/ (m·s);动态粘度高峰值是不同的在不同的曝气方式;然而,动态粘度高峰值分布底部的泡罩塔,泡罩塔微不足道的整体流动,因此这里不讨论。液相没有显著差异在泡沫动态粘度分布列。高动态粘度区是双方泡罩塔的底部,而低动态粘度带v型分布,位于中部和底部;高动态粘度区域靠近墙中间的泡沫列的列棒状的分布。这意味着液相流动性的能力很弱,v型垂直的墙附近的液相速度分布数据4 (c)和4 (d)。此外,它被发现在比较数据5 (h)- - - - - -5 (n)和数字8(一个)- - - - - -8 (g)动态粘度,低区泡沫列有v型分布;该区域还与气体停滞的分布区域。这意味着气相总流入动态粘度小的峰值区。

5.5。瞬时液相速度和流场

图9显示瞬时液相流场周期从160到166年代在8。它可以看到从图9这两个主要的漩涡中存在泡沫柱和两个小对称漩涡形成的泡罩塔的底部在160.2 s,因为注入气相剪切底部的液相。从161.2到162.2年代,气相不断地流入到泡罩塔的顶部,从泡沫溢出列,所以底部的漩涡消失了,两边对称漩涡形成于泡沫柱。气相注入停止时,两个小漩涡形成泡沫柱的两侧底部为163.2,164.2,和165.2年代也许是因为剪切作用的液相在泡罩塔的两侧,在主要漩涡不断压缩由于大动态粘度的液相,液相流动从底部中间的泡沫列。

图10显示垂直速度的液相在四个不同的计算情况下的监视点泡沫列,即。,垂直和水平速度情况下的液相5、7、12、14从100年代到220年代。它可以发现,对于牛顿流体,例5和7的水平速度改变定期在不同程度上,这意味着气泡羽流振荡在连续曝气还在间歇曝气的存在。非牛顿流体的水平速度的液相在12和14是恒定的情况下,这意味着气泡羽流振荡从未发生过,符合泡沫上升气流在非牛顿没有振荡(黄原胶溶液)观察到玻姆et al。38]。此外,液体的垂直速度阶段定期改变尽管在间歇曝气液相的不同属性。曝气开始时,液体的垂直速度阶段迅速增加;曝气停止时,轴向液相的速度迅速下降,并逐渐趋于0 m / s。这个循环有同时间歇曝气周期。

5.6。气泡羽流瞬时浓度场分布

为了进一步研究非牛顿流体的气泡羽流瞬时浓度场分布,图11显示气体停滞分布在1 s的间隔从160.2到165.2年代在160和166年代之间的周期8。数据(11日)- - - - - -11 (c)显示气体停滞在曝气周期的分布。气相注入在160.2 s和椭圆分布泡沫柱底部。从2到162.2年代,一些气体溢出从泡罩塔的顶部,与气相分布与长上面和短梯形低。气相是停在163年代。没有气体抢劫观察分布底部的泡沫列在163.2 s,和相同的气体停滞分布在中间和上部的泡沫观察列在162.2 s。1后,从泡沫柱气相完全溢出。没有观察到气泡羽流的振荡气相。

6。结论

(1)牛顿流体的间歇曝气模式影响了时均气相分布、液相流场和垂直液相速度。随着时间增加厌氧,流场结构变得复杂和漩涡的数量和分布发生了变化。厌氧时间低于9秒时,垂直速度分布的近似对称的气相和液相,和气抢劫分布柱状。气体抢劫稍微减少与增加厌氧时间相同的曝气时间比厌氧时间;和气体停滞减少了减少曝气时间比厌氧时间。(2)间歇曝气方式,非牛顿液体在气体停滞分布显著差异,垂直速度,并从牛顿液相流场。气相分布与长上面和短梯形低;液相有更高的垂直速度峰值比间歇曝气方式的牛顿流体;流场有一个更简单的结构和与间歇模式没有改变,和两边对称漩涡存在泡沫列。在相同的间歇曝气方式,非牛顿液体牛顿液体气体停滞变化一样,但非牛顿液体低得多比牛顿液体气体停滞阶段。牛顿液体阶段和非牛顿液体,气体停滞分布与动态液相的粘度。(3)间歇曝气的影响模式,牛顿和非牛顿液体的垂直速度阶段定期改变;然而,不同于牛顿液体阶段,非牛顿液体有一个恒定的水平速度。为非牛顿液体,没有气泡羽流振荡出现在间歇曝气方式,和气体抢劫分布与曝气时间动态变化。非牛顿液体的流场分布是对称的一个完整的曝气停止周期;在曝气的开始,两个小漩涡和两个主要的漩涡底部的泡罩塔改为两个小漩涡和两个主要的漩涡在泡罩塔的底部,两边分别。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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