污水处理中大型结构的CFD仿真分析
很明显，公共污水处理程序标准化已经很长一段时间了。然而，这也导致大家抱着“经验法则”的心态（尤其在工厂层面），废水处理专业人士在这个过程中不对其进行监管。此外，相比其它生产石油和天然气等的行业，对于减少预算、把水返回净化厂这类污水处理过程，仿真优化工具的使用显得非常有限。
虽然如此，若研发人员在水质净化时使用CFD模拟，将能更好地理解在标准化流程之间水的流动。如果能将仿真应用到工厂，是否就有可能更好的优化系统之外的“经验法则”呢？这也是为什么苏伊士环境液压工程师Pedro Fonseca，希望在BlueCAPE的CFD专家帮助下进行测试的原因。 仿真设置
通道（左），圆形吸烟管，非圆形吸烟管（右）分配室
“处理厂通常是一套完整的大容器，又被称为分配室，在这些室里水从里面进去又出来，而且每个室都有它不同的功能，”Fonseca解释道，“从工程设计的角度来看，这些分配室遵行相同的管线‘经验法则’。但是我们可以看到，当我们获得三维域时，这些经验法则的指导将获得极大的改进。这也是为什么CFD变成了一个强大的武器。”
分配室具有各种形状和尺寸，但通常它们都很大，直径可达十几米，并由混凝土制成。然而，由于孔、挡板和堰的存在，水的流动将受到毫米级别尺度的影响。
由于淤泥和污水可能会出现在这个过程中，系统设置使用流体体积函数（VOF）相模型。此外，表面张力也是影响结果的一个因素。最后，系统建模为：瞬态，自由表面CFL < 0。5，双层湍流k-ε，y+墙面处理。
因为日常的污水特性无法预测和验证，所以我们假设系统中污水的流体特性接近水。有些人可能考虑到在现实生活中污水中有粒子存在，但是在这里水并不能被当做拉格朗日固液多相来仿真。
由于庞大的模型尺寸和表面上微小的水，需要在各种分配室中划分3-4千万单元格。这是使用互动的各向异性网格，利用细化领域函数来评估系统的自由表面细节。 圆形分配室
圆形（吸烟管）分配室模拟
这个“吸烟管”的几何形状还包括了水流通过底部入口管。流体填充圆形分配室，直到由堰引流到各个单一室的过程。然而，这时候的“经验法则”就显得不合适了，因为入口管迫使流体流经堰更多一些。
Fonseca说，“这种设计中具有很多的‘经验法则’。通常它们和一下因素有关：入口动能，分配室直径，垂直截面的长度。”
然而，“我们立即就能看到一种有趣的现象：流进室内的水回流至底部。这将能确保当水发生偏移返回的时候，不会影响到水前的堰，因此，喷射出来的水比你通过理论知识预测得到的小得多。这也是在我们在工艺中使用CFD软件的原因之一。”Fonseca强调道。
换句话说，仿真能够提供一种直径与入口管的优化方案，以确保喷射出来的水回流。这种回流将能改善流体分配公式。
在具体案例分析上面，不同的参数将获得不同的结果，这就更一进步证实了CFD软件在单个生产设备的重要作用。 通道分配
通道分配室仿真
一个通道分配室将使用堰把流体划分为6个平行的过程。通过观察它，“我们几乎可以说这是被简化的1D模型，也就是说，我们可以把复杂模型简化为一条路径。”
正如预测的那样，1D模型和3D CFD模型中流量分配误差小于0.5%。这就表明，在一些特殊的室，并不需要CFD仿真，1D仿真就能获得较高的精度并能提高求解速度。
因此，独立设备并不一定要使用CFD软件仿真它的每个子系统。如果仿真能够被简化为1D或者0D的过程，那么一个完整的CFD分析可能是不必要的。跳过这些仿真还能节省不少时间和金钱。 非圆形分配室
非圆形（吸烟管）分配室仿真
这种分配室看起来像是圆形和通道室的组合，这个设置使用了一个入口管，一个挡板，溢流堰来分配流量。进口挡板必需要用CFD软件来评估流量。
首先，挡板的作用在仿真中我们能看到。另外，室壁对流量分配的影响我们可以通过仿真降低到最小。使用CFD分析，通过找到挡板的最佳位置来确保合适的流量分配，将使各个生产设备受益。
压降
当设计一个分配室，或任何复杂的流体流动过程，在文档中查到的标准系数可能并不一定能应用与当前几何。因此这些不确定性也可能成为一个影响因素。
Fonesca解释道，“根据我的经验，在理论数据和真实值之间我们可以有一个数量级的错误。但当我们谈到我们的工作，处理的污水在10～20 m3/s时这个误差有点大。所以，这是另一个例子证实我们需要大量使用CFD的原因。”
通过评估子系统的压降，各生产设备可以在设计阶段降低泵的电力供给。这就代表我们能显著减少预算，并可以降低碳排放，做到节能减排。 总结
Fonesca发现，“我们能够减少大量的外部资金成本，证明了我们的优化设计比‘经验法则’更进了一步。”这就表明，尽管与石油和天然气行业的公司比较，水处理行业缺乏资金，但CFD用在日常的水处理，或任何其他生产行业都是可行的。 在未来，研究小组希望CFD软件能模拟欧拉多相式，这将能进行泡沫尺度的优化，以及在各种净化过程中泥沙的过滤。另外，紫外线模拟也将有助于确保水的消毒。
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