摘 要：利用流体力学技术是污水处理反应器研究的一个重要发展方向，其中ABR反应器是厌氧反应器中的常见反应器。通过分析ABR反应器，运用流体力学技术，测试不同的网格划分密度和流动模型，将ABR反应器的水力学特性与上升流态用计算机展现出来，在确定反应器结构尺寸和操作参数上进行水力学行为预测。
关键词：计算流体力学；ABR反应器；应用
引言
计算流体力学（CFD）是以离散数学的思维方式，在计算机上使用离散数值方法，设定控制方程并进行求解，计算和预测连续动态流体的技术，是本世纪流体力学领域的重点发展方向之一。在污水处理工程中，任何反应器都需要通过实验的方法来确定反应器的最佳流态，采用CFD技术，开展ABR处理废水的水力学特性研究，为工业企业水污染防治和管理的实际工程应用提供崭新的应用基础研究理论依据与技术平台。下面将针对ABR反应器，包括清水单相及泥水混合液（生物气、液、固）三相的情况，在生态因子不同的条件下，模拟和比较ABR内部的水力学特性，从而对ABR处理废水的水力学特性和生态因子耦合机制的进行整合优化，其目的是在工业生产中达到最佳效能。
1 流体力学在ABR反应器中的应用现状
CFD 的应用已遍及各个与流动相关的行业和领域，但在水处理领域的应用起步较晚。模拟生化处理构筑物既要考虑流态，又要考虑生化反应过程。所以对于生化处理构筑物的模拟，主要分为两个层面：①对于生化反应过程的模拟，主要采用数学模型；②对于物理过程的模拟，主要采用流体力学模型。严格意义上来讲，CFD 模型更偏向于模拟物理过程，但是也可以和生化反应过程有机结合起来。国外的研究主要将生化反应数学模型和 CFD 模型相结合，针对生化反应的机理建立基于水流流动、传质过程及环境影响等方面的模型，模拟的目标多为考察生化指标的分布和去除[1]；国内的研究主要是从构筑物内部的水力特性出发，考察池内流场、污泥分布等，或通过改变构筑物结构、运行条件，提出设计、运行的优化方案。
2 流体力学在ABR反应器的离散化处理
CFD最核心的思想是在计算机上用离散的方式把连续流体处理成单独的个体。比较知名的有平滑粒子流体力学，求解流体问题的拉格朗日方法、把方程映射到像球谐函数和切比雪夫多项式等正交函数上的技术或者利用格子波尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Methods）。但是根据最基本的思想，最好的方法还是把空间区域离散化，使连续的流体变成小个体并有独立空间，这样就形成了一个立体网格或者空间点，这样的立体网格可以不规则，每个立体网格必须单独存储在内存中，如果反应器中的流体是高度动态的并且在速度高、跨越尺度大，立体网格本身应该可以随时间调整， 自适应网格细化方法。对于ABR反应器选择非结构化四面体网格生成方法，这样的每个网格都由两个三角面构成，能够较容易的处理复杂的结构，尤其对于反应器的入口和出口处。其收敛性好，对反应器的入口部分、出口部分、折流板部分分别建模并生成网格，域边界采用液-液界面。
其中A是控制元表面积，也就是ABR反应器的内表面积。V是控制体积元体积，也就是ABR反应器的体积。Q是被守恒的变量的矢量，而F是通量的矢量。通过公式（1）得知，如果能求得反应器的内表面积和液体的体积，可以达到离散化的目的。
在生成反应器的立体网格时，还要通过调整参数对网格进行重新构造，可以采用局部网格增加细分的方法，对计算区域中的入口和出口位置附近增加网格数。在湍流问题的数值模拟计算中，网格数较密的区域精度就会更高。
3 流体力学在ABR反应器的流动模型
当立体网格确定后，选用已有的算法来解运动方程。如果考虑反应器内的清水单相运行情况，就选择欧拉方程，如果考虑污泥和清水混合后的两相运行情况[3]，可以选纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）。由于ABR反应器中泥水物的水力学流态最为重要，并考虑了流体环流速度在垂直方向上的变化。如果想获得二维的速度场、压力场和剪应力场，那么就必须利用粘性流体运动的基本方程，这是一个复杂的二阶非线性偏微分方程，运算很复杂，而且也未必能比简单的一维速度场等更准确[4]。目前广泛应用的是Launder和Spalding提出的标准k-ε模型，这种模型是目前带有液态反应器流场模拟中应用最广泛的涡粘性湍流模型。它的组成包括两个部分：湍流动能k、湍流耗散率ε的传输方程[5]。为了提高标准k在生成反应器的立体网格时，还要通过调整参数对网格进行重新构造，可以采用局部网格增加细分的方法，对计算区域中的入口和出口位置附近增加网格数。在湍流问题的数值模拟计算中，网格数较密的区域精度就会更高。
3 流体力学在ABR反应器的流动模型
4 结束语
以采用CFD技术为基础，用专用的流体流动模型开展ABR处理废水的水力学特性建模研究，并对反应器中流体的实际流动进行计算，通过多种测试手段（如示踪粒子等）来验证，得到有准确的CFD计算模型，对ABR反应器的水力学特性和生态因子耦合机制的进行整合优化，以求达到最佳效能；获得ABR最佳构型；预测ABR反应器在运行过程中可能存在的运行风险，并提出风险防范对策或应急解决方案。反应器进水的有机物含量，颗粒污泥的生长环境条件是否能在污水中得到满足至关重要。通过改变反应器内的水力学特性，完善混合条件使得污水可以满足相应的条件。对于改变水力学特性来说，就要对反应器进行调整和设计，水力参数的选择以及反应器沉淀部分流态的控制，都可以通过流体力学来模拟实验，这样可以用最小的成本避免不良的水力学流态，避免厌氧菌产甲烷活性的降低，避免污泥菌群的流失，最大限度的发挥反应器效能。实验证明 CFD在污水处理研究过程中起到十分重要的作用。
参考文献
[1]Garcia-Calvo E，Rodriguez A，Prados A，Klein J1A fluid dynamic model for three-phase airlift reactors[J]. Chemical Engineering Science，1999，54：2 359～2 370.
[2]B. Cockbom，and C. W. Shu.TVB Runge-Kutta local project discontinuous Galerkin finite element method for scalar conservation laws ii. General framework，math. Comp.1989
[3]张远君.两相流体动力学[M].北京：北京航空学院出版社，1987.
[5]Jenne M. and Reuss M. A critical assessment on the use of k-ε turbulence models for simulation of the turbulent liquid flow induced by a Rushton-turbine in baffled stirred-tank reactors. Chem. Eng. Sci. 1999，54（17）：3921～3941
[6]Chen Y S，Kim S W. Computation of turbulent flows using an extendedk-Eturbulence closure model[R]. NASA CR-179204，1987.
作者简介：孙浩鹏（1975-），男（汉），吉林长春人，讲师，主要研究：计算机应用。
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