曝氣池內(nèi)水力特性及氧轉(zhuǎn)移效率的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究

曝氣池為污水生化處理工藝中最重要的構(gòu)筑物之一，其運(yùn)行狀態(tài)及池中氧轉(zhuǎn)移效率的高低直接影響運(yùn)行成本。本項(xiàng)研究采用針式摻氣濃度儀測(cè)量了不同通氣量下氣含率的分布和氣泡上升速度，發(fā)現(xiàn)氣含率分布為對(duì)稱三角形分布形式，不同于常見的氣泡羽流氣含率的高斯曲線分布，氣泡上升速度隨通氣量的增加而增大。輔以數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了氣泡等效直徑的分布規(guī)律。利用PIV測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量了氣泡羽流外圍的水流速度，得到了平均流速和瞬時(shí)流速的特點(diǎn)。采用溶氧儀測(cè)得了典型曝氣池內(nèi)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa的分布特點(diǎn)。研究了曝氣器布置方式、水深和通氣量對(duì)氧轉(zhuǎn)移效率的影響。采用歐拉－拉格朗日方法建立了曝氣池內(nèi)氣泡羽流的水氣兩相流數(shù)學(xué)模型，其中水流計(jì)算采用大渦模擬，氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡通過求解氣泡受力平衡方程來計(jì)算，通過相間作用力的相互交換實(shí)現(xiàn)水相與氣相的耦合計(jì)算。并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了氣泡直徑分布的設(shè)定對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在已建立的氣泡羽流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上加入描述溶解氧生成和擴(kuò)散的控制方程來計(jì)算氧轉(zhuǎn)移過程，采用了雙重時(shí)間尺度方法解決了計(jì)算時(shí)間過長的問題。得到氧濃度的變化過程和由此計(jì)算的KLa值均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。氣泡中氧氣轉(zhuǎn)移到水體中所需時(shí)間遠(yuǎn)大于水中溶解氧擴(kuò)散到其它位置所需的時(shí)間，溶解氧的擴(kuò)散過程主要受水流對(duì)流運(yùn)動(dòng)控制。在設(shè)計(jì)曝氣池時(shí)應(yīng)考慮加大水體對(duì)流以加快溶氧擴(kuò)散，提高曝氣效率。 2100433B

曝氣池為污水生化處理工藝中最重要的構(gòu)筑物之一，其運(yùn)行狀態(tài)及池中氧轉(zhuǎn)移效率的高低直接影響到最終處理效果，并與運(yùn)行成本直接相關(guān)。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外污水廠曝氣池運(yùn)行狀況的調(diào)查，池中較普遍存在氣泡時(shí)空分布不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致氧轉(zhuǎn)移在曝氣池中的分布差異，從而影響處理效果和運(yùn)行成本。本研究擬通過對(duì)曝氣池機(jī)理模型中在不同曝氣條件下氣泡云團(tuán)時(shí)空分布、氣泡尺寸、氣泡速度及其與水流速度、水溫等因素關(guān)系的測(cè)量，探明曝氣池中氣泡與曝氣方式及水流的相互作用機(jī)制；通過在機(jī)理模型中對(duì)不同氣泡運(yùn)動(dòng)特征條件下總?cè)芙鈿怏w及溶氧分布的測(cè)量，建立起總?cè)芙鈿怏w、溶氧與氣泡運(yùn)動(dòng)特征、水流特性等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系；通過對(duì)實(shí)際曝氣池中總?cè)芙鈿怏w分布、溶氧分布及水流狀態(tài)的測(cè)量，補(bǔ)充室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)；根據(jù)獲取的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，建立并驗(yàn)證可以模擬水流和氣泡及總?cè)芙鈿怏w/溶氧分布的數(shù)學(xué)模型；分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，提出改善曝氣效率的關(guān)鍵問題及解決方案。

1 緒論

1．1 研究背景及意義

1．2 基本消能方式概述

1．3 輔助消能工研究現(xiàn)狀

1．4 懸柵消能工的提出及研究進(jìn)展

2 水庫導(dǎo)流洞消力池試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

2．1 導(dǎo)流洞消力池內(nèi)懸柵模型試驗(yàn)

2．2 導(dǎo)流洞懸柵消力池?cái)?shù)值模擬

2．3 導(dǎo)流洞懸柵消力池計(jì)算成果分析

2．4 本章小結(jié)

3 消力池內(nèi)懸柵消能工水力特性

3．1 流態(tài)

3．2 池內(nèi)最大水深和消能率

3．3 水面線

3．4 流速

3．5 壓強(qiáng)

3．6 本章小結(jié)

4 懸柵消能工PIV測(cè)試與消能機(jī)理分析

4．1 PIV原理概述

4．2 PIV技術(shù)在懸柵消能工中的應(yīng)用

4．3 對(duì)比分析優(yōu)化試驗(yàn)懸柵消能工

4．4 懸柵消能機(jī)理分析

4．5 本章小結(jié)

5 消力池內(nèi)單層懸柵消能效果研究

5．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

5．2 投影尋蹤回歸研究方法

5．3 懸柵布置形式的研究方法

5．4 懸柵體型比選及布置參數(shù)對(duì)消能效果的影響研究

5．5 矩形懸柵布置相對(duì)值參數(shù)對(duì)消能效果的影響研究

5．6 本章小結(jié)

6 消力池內(nèi)雙層懸柵消能效果研究

6．1 消力池內(nèi)布置單、雙層懸柵消能效果對(duì)比

6．2 消力池內(nèi)雙層懸柵不同布置形式消能效果研究

6．3 懸柵消力池內(nèi)水流沖刷過程中雙層懸柵穩(wěn)定性研究

6．4 本章小結(jié)

7 懸柵消能工應(yīng)用

7．1 五一水庫溢洪洞懸柵消能工應(yīng)用

7．2 小石峽導(dǎo)流兼泄洪洞懸柵消能工應(yīng)用

7．3 奎屯泄水陡坡懸柵消能工應(yīng)用

7．4 本章小結(jié)

8 結(jié)論與展望

8．1 結(jié)論

8．2 展望

參考文獻(xiàn) 2100433B

懸柵消能工具有消能率較高、消波效果好、環(huán)境影響小等特點(diǎn)，借鑒前期陡坡急流彎道懸柵消能研究，作者針對(duì)水庫兼顧排沙導(dǎo)流洞或大單寬流量溢洪道出口消力池消能難題，提出在消力池內(nèi)設(shè)置懸柵消能工并成功實(shí)施。《消力池內(nèi)懸柵消能工模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究/土木工程前沿學(xué)術(shù)研究著作叢書》以底流消力池內(nèi)設(shè)置的懸柵消能工為研究對(duì)象，采用PIV流速測(cè)量技術(shù)和FLUENT流體模擬技術(shù)，通過理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法并結(jié)合原型工程觀測(cè)，運(yùn)用均勻正交設(shè)計(jì)和PPR投影尋蹤回歸方法，重點(diǎn)研究了消力池內(nèi)加設(shè)懸柵后的水力特性、水流能量耗散衰減規(guī)律以及高消能效果時(shí)懸柵布置方法，闡明了懸柵在底流消力池內(nèi)部的消能機(jī)理，揭示了懸柵不同位置、體型、數(shù)量等參數(shù)對(duì)消能率和消波特性的影響規(guī)律，建立了消力池內(nèi)懸柵 優(yōu)布置方案，為類似底流消力池工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

《土石壩水力劈裂的物理機(jī)制及數(shù)值仿真》，本書在前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入地分析了水力劈裂發(fā)生的物理機(jī)制，研究了壓實(shí)黏土的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性及斷裂機(jī)理，提出和建立了描述水力劈裂發(fā)生和擴(kuò)展過程的數(shù)值仿真方法，從而將以往針對(duì)一點(diǎn)的土石壩水力劈裂判別方法發(fā)展為針對(duì)整體結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)方法。2100433B