尾礦庫污染物傳輸過程的數(shù)值仿真研究及其經(jīng)驗*

孫 勝，陳 松，吳 超

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

尾礦庫工程是各種復雜反應的集合體，在其里面可能會發(fā)生各種復雜的物理、化學、生物以及地球化學反應。在尾礦與尾礦廢水之間、尾礦庫與環(huán)境之間，伴有重金屬隨水滲漏—基礎土壤—地下水或者地表水—尾礦庫穩(wěn)定—天然條件的重金屬污染物的傳遞過程。應用FLUENT軟件，可以使尾礦污染過程量化、直觀化。針對尾礦庫污染的特點和FLUENT軟件在數(shù)值模擬方面強大的功能，本文應用幾種常用的化學反應模型:層流有限速率模型(Laminar Finite－Rate)、渦耗散模型(Eddy－Dissipation)和渦耗散概念模型(EDC)對尾礦污染過程進行研究，模擬結(jié)果為尾礦環(huán)境安全監(jiān)測提供了可靠依據(jù)。

1 尾礦庫污染過程的建模

在FLUENT數(shù)據(jù)庫中，有各種化學模型，但主要是關于氣體燃燒方面的，當需要特有的化學模型時，F(xiàn)LUENT軟件也提供了自定義化學反應的平臺。定義化學反應時，應該有化學反應機理、反應率、化學動力學參數(shù)(指前因子、阿累尼烏斯活化能)，在不可逆化學反應中定義生成物的反應率為0。FLUENT軟件通過求解對流－擴撒方程來計算每個組分的質(zhì)量分數(shù)。對流－擴散方程式如下［1－2］:

式中，Yi是第i組分的質(zhì)量分數(shù);Ri是第i組分在化學反應中的凈生成率;Si是擴撒相加上用戶定義的源項得到的凈生成率;是存在濃度梯度情況下第i組分所產(chǎn)生的擴散流量。

層流條件下，可以定義擴散流量為:

式中，Di，m為混合物中i組分的擴散系數(shù)。

湍流條件下，擴散流量用下式計算:

式中，Sct是湍流施密特數(shù)(Fluent中默認為0.7);μt是湍流黏度。

在有限速率化學反應和組分輸運中，F(xiàn)LUENT軟件提供了層流有限速率模型、渦耗散模型和渦耗散概念模型(EDC)［3－7］。其各自的特點如表 1所示。

表1 有限速率化學反應模型與特征Table 1 Limited－rate chemical reaction model and features

2 尾礦庫污染分析的參數(shù)及試樣描述

研究以湖南湘潭錳礦的尾礦庫為研究背景，對研究區(qū)域進行采樣，采樣區(qū)選擇分布在離人類活動較遠的區(qū)域，而且采樣區(qū)的表層黃土覆蓋深度不能超過20 cm，預計采樣范圍為:長60 cm，寬15 cm，深60 cm。具體采樣方法如下:(1)把采樣區(qū)分為5層，0，20，40，50 和 60 cm。(2)每層剖面分別取 A，B，C和D 4點混合成一個樣，最終形成5個樣。對樣品進行處理后，做ICP－AES檢測，將檢測得到的數(shù)據(jù)作為模擬的依據(jù)。根據(jù)檢測結(jié)果，選擇具有代表性Fe和Pb元素作為研究對象，它們在尾礦遷移轉(zhuǎn)化時具有如下所示的典型化學反應式［8－12］:

FLUENT模擬過程中相關化學組分的定義如表2所示。

表2 模擬過程中相關組分的設置清單［13－15］Table 2 List of related components of simulation

3 不同化學模型下尾礦污染過程分析

3.1 污染模擬初始化

在Gambit中繪制出三維網(wǎng)格模型，物理模型的尺寸為長60 cm，寬15 cm，高60 cm。模型定義一個速度入口，一個自由出口，四周默認為固壁。邊界條件的具體設置如表3所示。

表3 邊界條件的定義Table 3 Boundary conditions

要使得整個模擬過程接近實際，應該有正確的化學反應機理，同時要正確設置化學反應中涉及的反應物和生成物的理化性質(zhì)，這包括物質(zhì)的密度、相對分子質(zhì)量、比熱容，以及研究區(qū)域土壤的黏度系數(shù)，導熱系數(shù)和多孔介質(zhì)(孔隙率、內(nèi)部阻力系數(shù)等)的性質(zhì)，邊界條件定義好后，根據(jù)表1～2中的相關參數(shù)，在FLUENT中定義好參與化學反應的化學組分。

對于土壤和多孔介質(zhì)區(qū)域的性質(zhì)參照表4進行設置。

表4 研究區(qū)土壤和多孔介質(zhì)區(qū)域的主要性質(zhì)［16］Table 4 The major nature of soils and porous in the study area

3.2 不同化學模型下的污染模擬結(jié)果

尾礦環(huán)境復雜多變，進行現(xiàn)場監(jiān)測難度大、工作量大、用時長。在室內(nèi)仿真不僅能快速動態(tài)地研究尾礦污染過程，而且還能根據(jù)研究的側(cè)重點不同設置不同的監(jiān)測條件，得到可靠有效的數(shù)據(jù)。下面用FLUENT軟件中3種不同的化學模型對研究區(qū)域的污染過程進行動態(tài)仿真。模擬過程和不同斷面的監(jiān)測結(jié)果如下:

取流速為0.5 m/s，同時根據(jù)采樣時的分層情況，分別設定5個監(jiān)測斷面 surf－1，surf－2，surf－3，surf－4，surf－5，斷面分別分布在 0，20，40，50 和60 cm處。分別分析不同化學模型(Laminar Finite－Rate層流有限速率模型;Eddy－Dissipation渦耗散模型;EDC渦耗散概念模型下污染物的濃度分布情況。相關參數(shù)如表5所示。

表5 模擬過程相關參數(shù)的設置［17－19］Table 5 The related parameters in simulation

3.2.1 Laminar Finite－Rate模型的模擬結(jié)果

在Laminar Finite－Rate模型下模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，殘差曲線如圖1所示。設置的所有變量的殘差值在迭代到160次左右變化平穩(wěn)，殘差曲線趨于平衡。不同污染物在不同監(jiān)測斷面的濃度分布如表6所示。

圖1 Laminar Finite－Rate模型下的殘差曲線Fig.1 Residuals curve under the Laminar Finite －Rate model

表6 在Laminar Finite－Rate模型下不同監(jiān)測斷面的污染物濃度Table 6 Concentration of pollutant under Laminar Finite－Rate model of different monitoring sections %

3.2.2 Eddy－Dissipation模型的模擬結(jié)果

在Eddy－Dissipation模型下模擬各污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程時，殘差曲線如圖2所示。圖中各變量的殘差值變化混亂，而且迭代到300步后，還沒有達到殘差收斂，迭代到300步后各污染物的濃度分布情況如表7所示。

圖2 Eddy－Dissipation模型下的殘差曲線Fig.2 Residuals curve under the Eddy－Dissipation model

表7 在Eddy－Dissipation模型下不同監(jiān)測斷面的污染物濃度Table 7 Concentration of pollutant under Eddy－Dissipation model of different monitoring sections %

3.2.3 EDC 模型的模擬結(jié)果

在EDC模型下污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的模擬結(jié)果如圖3所示，EDC模型下變量的殘差值變化平穩(wěn)，在迭代了幾步后殘差曲線開始緩慢變化，當?shù)?20步左右曲線收斂。污染物濃度分布情況如表8所示。

圖3 EDC模型下的殘差曲線Fig.3 Residuals curve under the EDC model

表8 在EDC模型下不同監(jiān)測斷面的污染物濃度Table 8 Concentration of pollutant under EDC model of different monitoring sections %

3.3 不同化學模型模擬結(jié)果比較分析

由表6～8可以粗略地看到:在各種化學模型下，污染物的濃度分布存在一定差異，為了使結(jié)果直觀化，在Origin中繪制出各監(jiān)測斷面上各污染物濃度分布的柱狀圖，如圖4所示。圖4比較了在不同化學模型下，各污染物的濃度分布情況。對結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論:

圖4 不同化學模型下各污染物的濃度分布比較Fig.4 The distribution of different pollutant concentration and chemical models

(1)除了設置的基礎物質(zhì)PbCO3外，所有污染物濃度的變化趨勢一致，都隨反應的進行逐漸遷移轉(zhuǎn)化。

(2)在Eddy－Dissipation模型下，污染物濃度在監(jiān)測面surf－1過度到監(jiān)測面surf－2的過程中出現(xiàn)突變，往后污染物濃度緩慢變化。

(3)在Laminar Finite－Rate模型和EDC模型下，污染物剛開始時濃度變化緩慢，當濃度從監(jiān)測面surf－4過度到監(jiān)測面surf－5的過程中出現(xiàn)突變。

(4)各監(jiān)測斷面中，污染物PbCO3的濃度變化則是一個逆向的累積過程。

4 結(jié)論

尾礦庫環(huán)境常處于動態(tài)變化過程中。同時尾礦自身和周邊環(huán)境也不斷受到自然和人工的影響。在進行現(xiàn)場環(huán)境安全監(jiān)測時很難得到理想的結(jié)果。利用尾礦污染模擬技術，可以針對研究者關注的某些問題和參數(shù)進行研究。通過對不同化學反應模型下的模擬結(jié)果的對比分析，還可以得出有關數(shù)值仿真的經(jīng)驗。

(1)在用Eddy－Dissipation模型進行污染物遷移轉(zhuǎn)化分析時，污染物濃度變化規(guī)律更明顯，更容易對污染物的濃度分布進行預測。

(2)由計算結(jié)果對比得知，除了基礎物質(zhì)Pb-CO3外，Laminar Finite－Rate模型和EDC模型比Eddy－Dissipation模型的所涉及的單元數(shù)大很多，所能表達的污染物濃度范圍更廣泛，測定的相關數(shù)據(jù)更具有實際參考性。

(3)由各自的殘差曲線顯示:EDC模型和Laminar Finite－Rate模型相比較，在計算效率上EDC模型比Laminar Finite－Rate模型低，需要用更長的計算時間。

(4)在實際的工程應用中，如果從經(jīng)濟實用的角度考慮，則Laminar Finite－Rate模型在進行污染物污染過程的模擬中價值更高，應為首選。

(5)本模擬研究結(jié)果還沒與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，其計算結(jié)果和模型的適合程度，在以后的研究工作中將結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果做進一步的驗證，使得所做工作更加完善準確。

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