基于CFD的循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

史明明 朱松明 葉章穎 韓志英 李建平 阮贇杰,2

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程系， 伊薩卡 NY 14853)

基于CFD的循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

史明明1朱松明1葉章穎1韓志英1李建平1阮贇杰1,2

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程系， 伊薩卡 NY 14853)

為提高循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器分離效率，以歐拉-歐拉多相湍流模型為理論框架，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，對(duì)3種不同筒徑比α渦旋分離器內(nèi)固液兩相三維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了相關(guān)速度云圖、速度矢量云圖、流體跡線(xiàn)云圖、內(nèi)部固相分布以及出口處固相體積分?jǐn)?shù)變化等。模擬結(jié)果表明：在進(jìn)水口進(jìn)水速度為0.36 m/s時(shí)，隨著筒徑比α的增大，3種渦旋分離器套筒外側(cè)以及進(jìn)水口以下部分速度流場(chǎng)差別較小，但套筒內(nèi)流場(chǎng)湍流逐漸加劇，同時(shí)，套筒外側(cè)附近和套筒內(nèi)部，渦旋逐漸加劇，增加能耗，且不利于固體顆粒的沉積，總體而言，渦旋分離器在α為1.5之后分離效率下降，并保持相對(duì)穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為，當(dāng)渦旋分離器α為1.5時(shí)，內(nèi)部固相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，而出口處固相體積分?jǐn)?shù)較低，隨著α增大，其分離效率由α為1.5時(shí)的27%降至α為2.0時(shí)的17%，并隨著α再次增至2.5時(shí)，分離效率保持基本不變。渦旋分離器流場(chǎng)速度的實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，而分離效率存在一定差異，但是變化規(guī)律相同，表明數(shù)值模擬在優(yōu)化渦旋分離器結(jié)構(gòu)方面是可行的。

循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)； 渦旋分離器； 計(jì)算流體力學(xué)； 多相流； 數(shù)值模擬

引言

我國(guó)是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，其產(chǎn)量約占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總量的70%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)水產(chǎn)品總量為2 846萬(wàn)t，約占魚(yú)類(lèi)水產(chǎn)品生產(chǎn)總量的71.7%[1]。然而，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在產(chǎn)能大幅提升的同時(shí)，其粗放式和掠奪式的生產(chǎn)方式與當(dāng)前海洋資源匱乏、環(huán)保壓力增大以及土地成本上升等矛盾也逐漸凸顯。近年來(lái)，生物絮團(tuán)養(yǎng)殖技術(shù)(Biofloc technology, BFT)因具有維持水環(huán)境穩(wěn)定、降低換水率、提高幼苗成活率以及促進(jìn)產(chǎn)品高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn)，已成為我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖解決資源環(huán)境剛性約束問(wèn)題的重要手段[2-4]。

傳統(tǒng)原位生物絮團(tuán)系統(tǒng)在操作過(guò)程中，由于營(yíng)養(yǎng)鹽輸入日漸增加，養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物濃度逐漸上升，而針對(duì)常見(jiàn)養(yǎng)殖對(duì)象(如南美白對(duì)蝦和羅非魚(yú)等)，其往往有適宜的總懸浮固體濃度(Total suspend solid, TSS)范圍。因此，就需要適時(shí)適量地排出養(yǎng)殖水體內(nèi)的生物絮團(tuán)[5-6]。目前常用的降低總懸浮固體物濃度的方式包括換水、增設(shè)沉降池或泡沫分離器等[7-9]。其中，換水工作量大且浪費(fèi)水資源，泡沫分離器能耗較高，沉降池占地面積大且可控性較差，而渦旋分離器(Hydraulic vortex separator, HDVS)由于具有操作方便，精確度相對(duì)高且工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池總懸浮固體的精確調(diào)控。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD) 廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的過(guò)程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計(jì)，具有效率高、成本低以及可重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[10-12]。目前，針對(duì)渦旋分離器的模擬可分為氣固、液固以及液液3種類(lèi)型，并以氣固渦旋分離器研究為主[13-15]。由于套筒結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于氣固渦旋分離器和液固渦旋分離器設(shè)計(jì)之中[16-17]，套筒與外筒壁之間的相對(duì)間隙直接影響著渦旋分離器的效率，是渦旋分離器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，而該相對(duì)間隙可用套筒直徑與外筒直徑之比進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文針對(duì)循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)固液渦旋分離器分離效率低的問(wèn)題，對(duì)3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器內(nèi)部流場(chǎng)和絮團(tuán)顆粒分離過(guò)程進(jìn)行模擬，以期為循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)內(nèi)過(guò)量絮團(tuán)顆粒的高效分離提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

針對(duì)不同的分離對(duì)象，渦旋分離器結(jié)構(gòu)往往存在一定差異，本文所研究的渦旋分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 渦旋分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure sketch of hydraulic vortex separator1.擾流板 2.套筒 3.進(jìn)水口 4.錐體 5.排空口 6.沉積倉(cāng) 7.中心錐體 8.外筒壁 9.出水口

為便于開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證工作，本文建模采用中試規(guī)模大小，因此設(shè)置外筒壁直徑DO為0.3 m，外筒壁高H1為0.4 m，出水口直徑DOF為0.05 m；在相同流量下，為提高進(jìn)水口流速，進(jìn)水口直徑DIN應(yīng)小于DOF，但考慮到安裝方便，DIN不能過(guò)小，設(shè)置DIN為0.04 m；針對(duì)中試規(guī)模0.8 m3的有效養(yǎng)殖水體，在外排生物絮團(tuán)時(shí)，為確保養(yǎng)殖水體生物絮團(tuán)分布均勻性，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，選取水力停留時(shí)間為0.5 h[9]，則進(jìn)水口流量為1.6 m3/h，即進(jìn)水口流速vIN為0.36 m/s。為避免進(jìn)水口水體沿套筒兩側(cè)流動(dòng)影響渦旋效果，則有

(1)

式中DC——套筒直徑，m

渦旋分離器內(nèi)只有在湍流狀態(tài)下才能形成足夠強(qiáng)烈渦旋，進(jìn)而獲得良好的離心分離效果。雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)，是慣性力與粘性力的比值，則有[18]

(2)

式中Rew——進(jìn)水口雷諾數(shù)ρ——流體密度，kg/m3μ——流體粘性系數(shù)，kg/(m·s)H2——錐體高度，m

當(dāng)Rew小于2 000時(shí)為層流，則Rew最小為2 000，為確保湍流，H2約取0.85 m。

套筒與外筒壁之間的相對(duì)間隙是本文結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的內(nèi)容，其對(duì)渦旋分離器整體流場(chǎng)影響較大，進(jìn)而影響分離效率。套筒與外筒壁之間相對(duì)間隙用外筒壁直徑與套筒直徑比α作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，顯然α越大相對(duì)間隙越大，則有

(3)

其中

式中L——擾流盤(pán)寬，m

擾流盤(pán)的設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[16]，其寬度L取0.03 m，可得α的范圍為1.36<α<2.72。本文研究3種不同α的渦旋分離器，考慮到α的取值范圍，3種渦旋分離器(結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C)的α分別為1.5、2.0和2.5。忽略套筒及錐體等壁厚對(duì)渦旋分離器體積的影響，三者體積V均為28 L。

1.2 數(shù)學(xué)模型

渦旋分離器內(nèi)部為固液兩相混合流動(dòng)，且視生物絮團(tuán)為擬流體，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用歐拉-歐拉多相流模型[19-20]。多相流主要包括：VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型。由于混合液內(nèi)固相體積占比相對(duì)較大，且在渦旋分離器內(nèi)部分布相對(duì)廣泛，因此選擇Mixture模型，并考慮滑流速度，另外，視渦旋分離器內(nèi)部流動(dòng)為常溫下定常流動(dòng)，將連續(xù)相視為粘性不可壓縮的流體，忽略升力、虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力以及Magnus力等，僅考慮作用較大的曳力和重力。相關(guān)控制方程表述為[21-22]

(4)

其中

式中t——時(shí)間，svi——各相速度，m/svm——質(zhì)量平均速度，m/sρm——混合相質(zhì)量密度，kg/m3ki——各相體積分?jǐn)?shù)ρi——各相質(zhì)量密度，kg/m3

動(dòng)量方程為

(5)

其中

式中μm——混合相粘性系數(shù)，Pa·sμi——各相粘性系數(shù)，Pa·sP——靜壓強(qiáng)，PaF——體積力，Ng——重力加速度，m/s2vd,i——第二相i的飄移速度，m/s

滑移速度方程為

(6)

其中

式中vlp——滑移速度，m/sdp——固相顆粒直徑，mμl——液相粘性系數(shù)，Pa·sρl——液相質(zhì)量密度，kg/m3ρp——固相質(zhì)量密度，kg/m3fdrag——曳力系數(shù)Rep——雷諾數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

理論而言，網(wǎng)格越密則計(jì)算結(jié)果越精確。但隨著網(wǎng)格加密，計(jì)算量將增加，進(jìn)而計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算造成的誤差也會(huì)增大。因此，合適的網(wǎng)格數(shù)量是實(shí)現(xiàn)精確模擬的前提，盡量避免網(wǎng)格過(guò)密造成的計(jì)算資源浪費(fèi)?；贔luent前處理軟件Ansys meshing，對(duì)3種結(jié)構(gòu)參數(shù)渦旋分離器進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。通常在模擬工作中要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證，即隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算結(jié)果不再有顯著變化為止，并以此確定模擬的進(jìn)一步開(kāi)展所需的網(wǎng)格數(shù)量[23]。本文考慮到3種渦旋分離器的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格數(shù)量相似，因此僅針對(duì)渦旋分離器結(jié)構(gòu)A進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，相對(duì)于當(dāng)前2.6×105的網(wǎng)格，更精細(xì)的網(wǎng)格數(shù)為4.1×105和7.8×105的模擬結(jié)果無(wú)顯著變化，最終，本文3種渦旋分離器結(jié)構(gòu)A、 結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C分別采用2.6×105、3.0×105和3.1×105的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬研究。

圖2 渦旋分離器混合網(wǎng)格圖 Fig.2 Mixture-frame gridding of hydraulic vortex separator

邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時(shí)間的變化規(guī)律，是解數(shù)學(xué)方程前提，也是模擬分析關(guān)鍵部分[24-25]。由于已知渦旋分離器進(jìn)水流量，故將渦旋分離器進(jìn)水口設(shè)置為Velocity-inlet；生產(chǎn)中渦旋分離器出口往往連接其他水處理裝置，此處試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中渦旋分離器出口是直接通入大氣的，故此處渦旋分離器出口邊界條件設(shè)置為常壓的Pressure-outlet。另外，渦旋分離器上表面無(wú)封蓋，故將其上表面設(shè)置為Symmetry，并將套筒、錐體以及進(jìn)出水管壁和外筒壁等設(shè)置為Wall壁面邊界條件，其中，壁面采用固壁，在近壁面采用加強(qiáng)壁面函數(shù)。

1.4 模擬參數(shù)

壓力插值方式的方法只在使用壓力基求解器中出現(xiàn)。一般情況下可選擇標(biāo)準(zhǔn)壓力基，其適用于含有高回旋數(shù)的流動(dòng)、高Rayleigh數(shù)的自然對(duì)流、高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、多孔介質(zhì)流動(dòng)、高曲率計(jì)算區(qū)域等流動(dòng)情況。對(duì)于含有大體力的流動(dòng)，則需選擇Body Force Weighted?；贑FD仿真軟件Fluent 17.0平臺(tái)和戴爾服務(wù)器，根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際情況采用有限體積法離散化的三維N-S方程及非耦合隱式方案，選擇標(biāo)準(zhǔn)RSM七方程湍流模型[23]，選用分離式壓力修正法中的SIMPLE算法作為流場(chǎng)數(shù)值求解方法，速度校正方程中壓力項(xiàng)選用默認(rèn)的standard格式。為便于收斂，擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)差分格式離散，進(jìn)行數(shù)值求解。其它相關(guān)物性參數(shù)和初始參數(shù)的設(shè)定如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)定Tab.1 Parameter setting

2 模擬結(jié)果與分析

通過(guò)Fluent的計(jì)算模擬，得到了不同結(jié)構(gòu)渦旋分離器相關(guān)速度云圖、渦量云圖、速度矢量云圖、液相流線(xiàn)圖和固相(生物絮團(tuán))的分布情況等結(jié)果。同時(shí)結(jié)合渦旋分離器中心監(jiān)測(cè)線(xiàn)和進(jìn)水口位置橫截面Z=0.315 m處徑向監(jiān)測(cè)線(xiàn)，如圖3所示，對(duì)其速度場(chǎng)和固相體積分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行分析。

圖3 監(jiān)測(cè)線(xiàn)位置圖Fig.3 Monitoring lines position

2.1 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖4 渦旋分離器實(shí)物圖Fig.4 Picture of hydraulic vorter separator

模型試驗(yàn)在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所實(shí)驗(yàn)室中完成，中試規(guī)模的渦旋分離器(結(jié)構(gòu)A)如圖4所示。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，設(shè)置圖3中Z=0.315 m平面上S1～S5 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(-0.125，0，0.315)、(-0.088，-0.088，0.315)、(0.088，-0.088，0.315)、(0.088，0.088，0.315)和(-0.088，0.088，0.315)。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(單位：m/s)Fig.5 Comparison of CFD results with experiment data of magnitude velocity at monitoring points (m/s)

用便攜式測(cè)速儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置流速進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖5所示。其中，臨界點(diǎn)為實(shí)測(cè)值誤差為±20%分別對(duì)應(yīng)的值，實(shí)測(cè)值為多次測(cè)量各點(diǎn)的實(shí)測(cè)平均值。由圖5可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定誤差，且S1和S2模擬值相對(duì)實(shí)測(cè)值誤差較大。該誤差除了由于S1和S2處流速變化梯度較大，儀器放置測(cè)量點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差造成之外，最主要的是因?yàn)槟M過(guò)程中簡(jiǎn)化了生物絮團(tuán)碰撞形式，以及未考慮生物絮團(tuán)對(duì)液相流場(chǎng)影響和Fluent 17.0軟件模型自身的缺陷造成的，但由圖5可以清晰看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬值均在實(shí)測(cè)值臨界點(diǎn)之間，因此，模擬結(jié)果在20%可接受誤差范圍內(nèi)，模擬結(jié)果可靠。

2.2 速度分析

針對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)渦旋分離器，對(duì)橫截面和縱截面混合相速度進(jìn)行比較分析。在相同顯示范圍、配色方案和視角條件下，渦旋分離器代表性截面處的液相速度等值線(xiàn)圖如圖6所示。其反映了3種渦旋分離器流場(chǎng)模擬相同時(shí)間的速度分布情況。由圖6可知，隨著α的增大，渦旋分離器外筒壁處速度變化不大，而套筒內(nèi)速度均勻性降低且湍流逐漸加劇，最終導(dǎo)致影響渦旋分離器分離效率的沉積倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)湍流加劇，不利于固相顆粒的沉積。

圖7為典型位置速度分布曲線(xiàn)，由圖7a可知，渦旋分離器徑向在內(nèi)套筒處速度發(fā)生階躍式變化，且在進(jìn)口一側(cè)速度高于另一側(cè)，渦旋分離器結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C相對(duì)結(jié)構(gòu)A在套筒內(nèi)速度較高。由圖7b可知，在沉積倉(cāng)中心處3種結(jié)構(gòu)速度基本相同，僅在沉積倉(cāng)中心位置，渦旋分離器結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C高于結(jié)構(gòu)A，這也與圖6分析結(jié)果相同。而在沉積倉(cāng)至擾流盤(pán)位置渦旋分離器結(jié)構(gòu)A的速度大于結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C，這主要是因?yàn)閮?nèi)套筒筒徑大，中心處流場(chǎng)湍流變化不大。

圖6 渦旋分離器速度云圖Fig.6 Velocity magnitude contours of hydraulic vortex separator

圖7 速度分布曲線(xiàn)Fig.7 Velocity distribution curves of radial line and central line

在相同顯示范圍、配色方案、視角和速度矢量稀疏程度的條件下，3種結(jié)構(gòu)典型截面處速度矢量云圖如圖8所示。由圖8可知，3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器在進(jìn)水口以下位置速度矢量相似，三者的區(qū)別主要體現(xiàn)在擾流盤(pán)以上部分，隨著α的增大，3種結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)部流場(chǎng)流速增大，而外側(cè)趨勢(shì)與之相反，綜合以上分析可知，結(jié)構(gòu)α=1.5的流場(chǎng)理論上有利于固相顆粒的分離和沉積。

圖8 橫截面速度矢量云圖Fig.8 Vector contours of cross section

2.3 流體跡線(xiàn)分析

跡線(xiàn)是同一質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間過(guò)程內(nèi)的流動(dòng)軌跡線(xiàn)。跡線(xiàn)是拉格朗日法描述流動(dòng)的一種方法。跡線(xiàn)只與流體質(zhì)點(diǎn)有關(guān)，分析跡線(xiàn)的形狀可以對(duì)流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行更詳盡的描述，可以說(shuō)是對(duì)速度的分析進(jìn)行的補(bǔ)充。圖9給出了3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器內(nèi)部流場(chǎng)的跡線(xiàn)圖，跡線(xiàn)的顏色是以液相的速度為標(biāo)準(zhǔn)的。結(jié)合前文速度場(chǎng)的分析，對(duì)于3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器，由于結(jié)構(gòu)α=1.5外側(cè)流場(chǎng)速度相對(duì)較大，因此流體跡線(xiàn)在此處跡線(xiàn)較為繁密。進(jìn)水口流入的液相流至相應(yīng)池壁一部分向上旋轉(zhuǎn)一部分向下旋轉(zhuǎn)，此處結(jié)果與圖8速度矢量結(jié)果相同。由于結(jié)構(gòu)α=1.5旋轉(zhuǎn)流速較強(qiáng)，故在一定范圍內(nèi)將提高渦旋分離器整體分離效率。

圖9 流體跡線(xiàn)云圖Fig.9 Streamlines contours of hydraulic vortex separator

2.4 渦旋和渦量分析

渦量表示渦向量大小，它是流體微元在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)程度的量度。渦量反映的是流體的循環(huán)流動(dòng)情況，當(dāng)渦量為正時(shí)，絕對(duì)值越大，則逆時(shí)針循環(huán)量越大，為負(fù)時(shí)，絕對(duì)值越大順時(shí)針循環(huán)量越大(俯視視角)。而渦旋有時(shí)也稱(chēng)旋渦，是流體團(tuán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

從圖10渦量云圖可以得出，3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器的渦量分布規(guī)律相似，在水口一側(cè)渦量較大，流體循環(huán)流動(dòng)趨勢(shì)較強(qiáng)。結(jié)合圖11橫截面歸一化螺旋度云圖可知，隨著α的增大，渦旋分離器的渦旋加劇，而渦旋的產(chǎn)生伴隨著機(jī)械能的耗損，不利于節(jié)約能耗。

2.5 分離效率分析

由圖12典型位置處固相體積分?jǐn)?shù)分布曲線(xiàn)可知，結(jié)構(gòu)A固相體積分?jǐn)?shù)總體高于結(jié)構(gòu)B和C，特別是在套筒內(nèi)部，此趨勢(shì)更為明顯，同時(shí)，結(jié)構(gòu)B和C的體積分?jǐn)?shù)相似。由此可以得出，當(dāng)α>1.5時(shí)，其渦旋分離器分離效率降低，并保持基本穩(wěn)定。生產(chǎn)中以α=1.5效果較好。圖13反映了3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器在渦旋分離器出口處面平均固相體積分?jǐn)?shù)。在t=85 s時(shí)，初步估計(jì)出口處結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C固相體積分?jǐn)?shù)均約為50%，而結(jié)構(gòu)A約為44%。渦旋分離器的分離效率η計(jì)算公式為[26]

圖10 橫截面渦量云圖Fig.10 Magnitude vorticity contours of cross section

圖11 橫截面螺旋度云圖Fig.11 Swirl contours of cross section

(7)

式中fIN——進(jìn)口處面平均固相體積分?jǐn)?shù)fOF——出口處面平均固相體積分?jǐn)?shù)

經(jīng)計(jì)算可得渦旋分離器結(jié)構(gòu)A分離效率約為27%，而結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C約為17%。

圖12 固相體積分?jǐn)?shù)分布曲線(xiàn)Fig.12 Solid phase distribution curves

圖13 出口處平均固相體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)Fig.13 Average solid phase volume fraction curves of outlet

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)本文α取1.5、2.0和2.5的渦旋分離器進(jìn)行分離效率試驗(yàn)，在模擬的工況下，試驗(yàn)測(cè)得分離效率分別為7.32%、3.78%和2.55%。由此可見(jiàn)雖然速度場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，但生物絮團(tuán)分離效率的實(shí)測(cè)值與模擬值差異較大，主要是因?yàn)槟M過(guò)程中簡(jiǎn)化了生物絮團(tuán)間的碰撞和摩擦，但模擬結(jié)果反映了實(shí)測(cè)分離效率隨α的變化規(guī)律，故可用CFD模擬優(yōu)化渦旋分離器結(jié)構(gòu)，從而減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于CFD軟件Fluent對(duì)3種結(jié)構(gòu)渦旋分離器流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算表明，將其內(nèi)部流場(chǎng)視為連續(xù)的兩相流，并采用歐拉-歐拉模型進(jìn)行模擬，能夠很好地獲得其速度場(chǎng)信息。渦旋分離器進(jìn)水口以下部分速度流場(chǎng)受結(jié)構(gòu)變化的影響較小。在一定條件下，隨著內(nèi)外筒徑比α的增加，套筒內(nèi)流場(chǎng)湍流加劇，且在進(jìn)水口相對(duì)位置和套筒內(nèi)部渦旋加劇?？傮w而言，渦旋分離器模擬結(jié)果表明在α大于1.5后分離效率由27%下降至α為2.0時(shí)的17%，并當(dāng)α大于2.0后，分離效率基本保持不變。實(shí)測(cè)值雖同模擬值有一定差異，但二者關(guān)于分離效率和α的變化規(guī)律是一致的。故在本文給出的生物絮團(tuán)密度、粒徑和體積分?jǐn)?shù)條件下，設(shè)計(jì)循環(huán)生物絮團(tuán)系統(tǒng)渦旋分離器時(shí)α取1.5效果較好。

1 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局. 中國(guó)漁業(yè)年鑒[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2016.

2 TACON A G J, FOSTER I P. Aqua-feeds and the environment: policy implications[J]. Aquaculture, 2003, 226(1-4): 181-189.

3 AVNIMELECH Y, VERGEGEM M C J, KUMP P. Sustainable land-based aquaculture:rational utilization of water, land and feed resource[J]. Mediterrancan Aquaculture Journal, 2008,1(1):45-55.

4 史明明，劉晃，龍麗娜，等．碳源供給策略對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水生物絮團(tuán)處理效果的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(6)：317-323．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160642&flag=1．DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.06.042． SHI Mingming, LIU Huang, LONG Li’na, et al. Effect of carbon source supply tactics on treatment of aquaculture wastewater with biofloc technology[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 317-323. (in Chinese)

5 CRAB R, DEFOIRDT T, BOSSIER P, et al. Biofloc technology in aquaculture: beneficial effects and future challenges[J]. Aquaculture, 2012(356-357):351-356.

6 RAY A J, LEWIS B L, BROWDY C L, et al. Suspended solids removal to improve shrimp (Litopenaeusvannamei) production and an evaluation of a plant-based feed in minimal-exchange, super intensive culture systems[J]. Aquaculture, 2010, 299(1-4):89-98.

7 DE SCHRYVER P, CRAB R, DEFOIRDT T, et al. The basics of bio-flocs technology: the added value for aquaculture[J]. Aquaculture, 2008, 277(3-4):125-137.

8 MISHRA J K, SAMOCHA T M, PANTNAIK S, et al. Performance of an intensive nursery system for the Pacific white shrimp,Litopenaeusvannamei, under limited discharge condition[J]. Aquacultural Engineering, 2008, 38(1):2-15.

9 ZHU Songming, SHI Mingming, RUAN Yunjie, et al. Applications of computational fluid dynamics to modeling hydrodynamics in tilapia rearing tank of recirculating biofloc technology system[J]. Aquacultural Engineering, 2016, 74:120-130.

10 程秀花，毛罕平，倪軍．溫室環(huán)境-作物濕熱系統(tǒng)CFD模型構(gòu)建與預(yù)測(cè)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(2)：173-179． CHENG Xiuhua, MAO Hanping, NI Jun. Numerical prediction and CFD modeling of relative humidity and temperature for greenhouse-crops system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2):173-179. (in Chinese)

11 寧國(guó)鵬，王德成，王光輝，等．苜蓿干燥與莖葉分離設(shè)備設(shè)計(jì)與CFD模擬[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(1)：84-90． NING Guopeng, WANG Decheng, WANG Guanghui, et al. Design and CFD simulation of quad-pass rotary drum dryer-separator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(1):84-90. (in Chinese)

12 李洪昌，李耀明，唐忠，等．風(fēng)篩式清選裝置振動(dòng)篩上物料運(yùn)動(dòng)CFD-DEM數(shù)值模擬[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(2)：79-84．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120217&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2012.02.017． LI Hongchang, LI Yaoming, TANG Zhong, et al. Numerical simulation of material motion on vibrating screen of air-and-screen cleaning device based on CFD-DEM[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(2):79-84.(in Chinese)

13 SAKURA G B, ANDREW Y T L. CFD simulation of cyclone separators to reduce air pollution[J]. Powder Technology, 2015, 286:488-506.

14 JAYEN P V, BRIAN J L, Michel F C. Design methodology for the swirl separator[J]. Aquacultural Engineering, 2005, 33(1):21-45.

15 ZHAO Chuanwei, SUN Haoyu, LI Zengliang. Structural optimization of downhole oil-water separator[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 148:115-126.

16 ALKHADDAR R M, HIGGINS P R, PHIPPS D A, et al. Residence time distribution of a model hydrodynamic vortex separator[J]. Urban Water, 2001,3(1-2):17-24.

17 SONALI S, SWATI M. A 3-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulation of a hydrocyclone[J]. Applied Mathematical Modeling, 2013, 37(5): 2921-2932.

18 周理．旋風(fēng)分離器基本理論與最佳設(shè)計(jì)[J]．化工煉油機(jī)械通訊，1979(5)：18-31．

19 Fluent Inc. Fluent user’s guide[M]. Lebanon: Fluent Inc., 2013.

20 DIVYAMAAN W, RANJEET P U, MOSES O T, et al. CFD simulation of solid-liquid stirred tanks[J]. Advanced Powder Technology, 2012, 23(4):445-453.

21 周大慶，米紫昊，茅媛婷．基于歐拉固液兩相流模型的泵站進(jìn)水側(cè)流場(chǎng)三維模擬[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(1)：48-52．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130110&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2013.01.010. ZHOU Daqing, MI Zihao, MAO Yuanting. 3-D numerical simulation of inlet structure flow in pumping station based on Eulerian solid liquid two-phase flow model[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44 (1):48-52.(in Chinese)

22 喻黎明，鄒小艷，譚弘，等．基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模擬[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，46(1)：126-132．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160117&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.017. YU Liming, ZOU Xiaoyan, TAN Hong, et al. 3D numerical simulation of water and sediment flow in hydro-cyclone based on coupled CFD-DEM[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 46(1):126-132. (in Chinese)

23 王福軍．流體機(jī)械旋轉(zhuǎn)湍流計(jì)算模型研究進(jìn)展[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(2)：1-11．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160201&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.001. WANG Fujun. Research progress of computational model for rotating turbulent flow in fluid machinery[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2):1-11. (in Chinese)

24 李驊，張美娜，尹文慶，等．基于CFD 的風(fēng)篩式清選裝置氣流場(chǎng)優(yōu)化[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊2)：12-16．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2013s203&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S2.003. LI Hua, ZHANG Meina, YIN Wenqing, et al. Optimization of airflow field on air and screen cleaning device based on CFD[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(Supp.2):12-16. (in Chinese)

25 陳晉南．傳遞過(guò)程原理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

26 ANDOH R Y G, SAUL A J. The use of hydrodynamic vortex separators and screening systems to improve water quality[J]. Water Science and Technology, 2003, 47(4):175-183.

StructuralParameterOptimizationofHydraulicVertoxSeparatorinRecirculatingBioflocTechnologySystemBasedonComputationalFluidDynamics

SHI Mingming1ZHU Songming1YE Zhangying1HAN Zhiying1LI Jianping1RUAN Yunjie1,2

(1.CollegeofBiosystemsEngineeringandFoodScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.DepartmentofBiologicalandEnvironmentalEngineering,CornellUniversity,IthacaNY14853,USA)

With the aim to improve the separation efficiency of hydraulic vortex separator (HDVS) in recirculating biofloc technology (RBFT) system, three HDVSs with different structural parameters were studied by using numerical method of computational fluid dynamics (CFD). The simulations of the solid-liquid phase flow in HDVSs were conducted based on an Eulerian-Eulerian multi-phase turbulence 3-D model combined with the kinetic theory of granular flow, which specifically analyzed the velocity contours, vector contours, streamlines of liquid phase, inner and outlet distribution characters of solid phase. The simulation results showed that with the increase ofα, the velocity field below the inlet part and surrounding area of the sleeve had small difference at the inlet velocity of 0.36 m/s. But the difference of results of inner region of sleeve was stark and the turbulence was enhanced in this regions. In addition, some swirls occurred in the inner zone of the sleeve, which added energy waste and had negative effect on the flocs separation. The separation efficiency of HDVS had a negative correlation with the increase ofα. Whenαwas 1.5, the removal efficiency was 27%, which was more effective than 17% (αwas 2.0). But whenαwas increased from 2.0 to 2.5, the HDVSs almost had the same solid phase volume fraction at the outlet and the separation efficiencies only had a small change. To validate the accuracy of simulation results, the simulation values and experimental data were compared. The good agreement of the flow velocity and change law of the separation efficiency proves that the mentioned two fluid model (TFM) can be used to optimize the structure of HDVS.

recirculating biofloc technology system; hydraulic vortex separator; computational fluid dynamics; multiphase flow; numerical simulation

S275.6

A

1000-1298(2017)09-0287-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.036

2017-01-18

2017-02-17

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B09)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(31402348)、中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目(2015)和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M551747)

史明明(1988—)，男，博士生，主要從事設(shè)施水產(chǎn)裝備研究，E-mail： shimgmg@163.com

阮贇杰(1983—)，男，副研究員，主要從事高密度設(shè)施養(yǎng)殖工程研究，E-mail： ruanyj@zju.edu.cn