基于DPM离散相模型和MRF移动参考系方法的污水处理厂旋流沉砂池固液两相流泥沙分离计算

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midas NFX CFD后处理——结果提取

导读

在城市水利建设中，市政污水处理扮演着重要角色。针对不同的污水处理工艺，其中关键过流部件的水力设计尤为重要，比如旋流沉砂池的除砂率计算、曝气池气液两相流的流态计算以及消毒池内消毒剂浓度计算等等。本期本章基于midasNFXCFD的DPM模型和MRF移动参考系方法对污水处理工艺中旋流沉砂池的固液两相流泥沙分离速率进行了计算，计算了沉砂池在单相流情况下的内部流态与搅拌器搅拌速率，以及在固液两相流情况下的不同粒径沙粒的沉淀分离情况。

1基于MRF移动参考系方法的旋流沉砂池单相流内部流场分析

首先构建了旋流沉砂池三维几何模型，沉砂池内置搅拌桨为四叶，叶片垂直布置在系统内，搅拌桨旋转速度为30rpm。将沉砂池的内部流体域分为两个部分，一部分为受搅拌桨叶片的扰动的旋转区域，一部分为直接受搅拌桨叶片影响之外的静止区域，如图1、图2所示。

图1 沉砂池模型及内部搅拌桨叶片简化模型3D示意图

图2 MRF移动参考系方法的流体静止区域和旋转区域建模

图3 沉砂池CAD细节尺寸及进出口安放位置

图4 沉砂池CAD细节尺寸及进出口安放位置

划分网格为静止域网格和旋转域网格两个区域，划分完成后检查网格质量，可进行网格质量的可视化操作，如图4所示。进一步的对模型进行边界条件设置，首先对直径60mm进口管道设置沿进口法向的1.5m/s进水速度，出口考虑相对静压为0的压力出口条件，表示出水为与大气相接的开放水域，静止壁面选择沉砂池结构外壁面。旋转壁面选择搅拌桨叶片壁面，如图5和图6所示。

图5 沉砂池进出口边界条件及静止壁面条件设置

图6 搅拌桨旋转壁面边界条件定义

完成边界条件设置后，进行求解设置。选择稳态求解，模块勾选流体流动，分析中时间增量与步骤数分别选择0.1s和5000步，工作压力保持默认的101325N/㎡，重力矢量为(0 , 0 , -1)-z方向。模块数据中湍流模型选择剪切应力模型K-ω SST模型，勾选包含静水压力。其余保持默认，完成求解设置。

图7 后处理设置

图8 右键点击分析和结果任务树中上步创建好的稳态CFD分析项目，点击求解

图右为计算残差图

后处理结果中分别提取了在搅拌桨旋转速度为30rpm情况下，沉砂池内部的流线结果、涡量分布云图、速度云图以及压力云图，如图9-图12所示。

本节有关MRF计算的相关模型处理方法、网格划分以及边界条件设置等细节操作可以参照往期文章《NFX| CFD动网格之MRF》进行设置。

图9 沉砂池单相流内流场流线分布

图10 单相流中沉砂池搅拌叶片涡量分布

图11 不同特征截面下沉砂池速度云图

图12 不同特征截面下沉砂池速度云图

2基于DPM模型的旋流沉砂池固液两相流颗粒沉降计算

在第一节基于MRF移动参考系分析沉砂池内部流态计算的基础上，在边界条件设置中加入离散相颗粒边界，首先在高级模型CFD边界中依次设置颗粒管理器和颗粒生成。第一步，在颗粒管理器中选择glass玻璃作为颗粒材料，实际项目计算中，沙粒的物理属性可根据试验数据定义，这里选择玻璃作为材料仅为计算实现考虑。第二步，在颗粒生成中，选择沉砂池进口面作为沙粒进入面，分别定义0.5mm直径沙粒和0.01mm直径沙粒，以X负方向为进口方向，设置沙粒沿X正方进入速度为-1.5m/s与进口流速一致，颗粒流选择系数100Num/sec，表示每秒进入100颗沙粒。

图13 在上节单相流边界基础上定义离散相颗粒边界

图14 离散相颗粒分析求解设置

求解设置选择瞬态模拟工况，求解模块在基础的流体流动上点击高级模块，勾选颗粒CFD（单向交互），只考虑颗粒受流体作用力，不考虑颗粒对流场的影响。分析中时间增量和步骤数分别设置0.01sec和5000步；模块数据中在上一节单相流设置的基础上，点击下部的颗粒分析，颗粒分析的步骤数设置为1000，勾选自动时间增量，曳力模型考虑斯托克斯模型，其余勾选浮力、saffman升力、湍流离散随机运动。其余保持默认，完成求解设置。

图15 右键点击分析和结果任务树中上步创建好的瞬态CFD分析项目，点击求解，图右为计算残差图

后处理结果中分别提取了在搅拌桨旋转速度为30rpm情况下，沉砂池外表面速度压力云图，颗粒运动轨迹情况、颗粒与壁面的相互作用云图、不同粒径沙粒的沉降情况，如图9-图12所示。

本节有关颗粒计算的相关模型处理方法、网格划分以及边界条件设置等细节操作可以参照往期文章《【小王说流体】施工扬尘泵站沉沙管道积尘颗粒流get，NFX CFD离散相颗粒分析功能介绍！》进行设置。

图16 沉砂池外表面速度压力云图

图17 固液两相流模拟泥沙颗粒运动速度及轨迹

图17 颗粒与壁面的相互作用云图

图18 0.5mm与0.01m颗粒直径沙粒在沉砂池内的分离情况

3模型文件与类似对照参考论文

相关模型设置文件分为《沉砂池单相流模拟（跟随案例）》和《沉砂池固液两相流（跟随案例）》，点击下方阅读原文，下载跟随案例操作。

工程师可以对照参考论文《旋流-平流沉砂池去除污水中细微砂粒及有机物分离的数值模拟》，尽管该文献与本文的模型尺寸细节模型与颗粒材料有出入，且文中作者使用fluent流场分析软件进行计算，但计算结果规律与本文一致。如有条件的工程师，也可分别采用fluent与NFX进行该类计算，对比两种软件在进行该类计算的一致性和差异性。