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

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。本研究擬通過對曝氣池機(jī)理模型中在不同曝氣條件下氣泡云團(tuán)時空分布、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)理模型中對不同氣泡運(yùn)動特征條件下總?cè)芙鈿怏w及溶氧分布的測量，建立起總?cè)芙鈿怏w、溶氧與氣泡運(yùn)動特征、水流特性等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系；通過對實際曝氣池中總?cè)芙鈿怏w分布、溶氧分布及水流狀態(tài)的測量，補(bǔ)充室內(nèi)模型試驗數(shù)據(jù)；根據(jù)獲取的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，建立并驗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；分析實測數(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。

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。本項研究采用針式摻氣濃度儀測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測速系統(tǒng)測量了氣泡羽流外圍的水流速度，得到了平均流速和瞬時流速的特點。采用溶氧儀測得了典型曝氣池內(nèi)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa的分布特點。研究了曝氣器布置方式、水深和通氣量對氧轉(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，其中水流計算采用大渦模擬，氣泡運(yùn)動軌跡通過求解氣泡受力平衡方程來計算，通過相間作用力的相互交換實現(xiàn)水相與氣相的耦合計算。并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗證。研究了氣泡直徑分布的設(shè)定對計算結(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)散的控制方程來計算氧轉(zhuǎn)移過程，采用了雙重時間尺度方法解決了計算時間過長的問題。得到氧濃度的變化過程和由此計算的KLa值均與實驗結(jié)果吻合較好。氣泡中氧氣轉(zhuǎn)移到水體中所需時間遠(yuǎn)大于水中溶解氧擴(kuò)散到其它位置所需的時間，溶解氧的擴(kuò)散過程主要受水流對流運(yùn)動控制。在設(shè)計曝氣池時應(yīng)考慮加大水體對流以加快溶氧擴(kuò)散，提高曝氣效率。 2100433B

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

2．2 導(dǎo)流洞懸柵消力池數(shù)值模擬

2．3 導(dǎo)流洞懸柵消力池計算成果分析

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 對比分析優(yōu)化試驗懸柵消能工

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 試驗設(shè)計方法

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)對消能效果的影響研究

5．5 矩形懸柵布置相對值參數(shù)對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，借鑒前期陡坡急流彎道懸柵消能研究，作者針對水庫兼顧排沙導(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施?！断Τ貎?nèi)懸柵消能工模型試驗與數(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象，采用PIV流速測量技術(shù)和FLUENT流體模擬技術(shù)，通過理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬方法并結(jié)合原型工程觀測，運(yùn)用均勻正交設(shè)計和PPR投影尋蹤回歸方法，重點研究了消力池內(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，從而將以往針對一點的土石壩水力劈裂判別方法發(fā)展為針對整體結(jié)構(gòu)安全性的評價方法。2100433B