數(shù)值模擬在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張 瑜， 蘆 星， 彭 勤， 王桂芳， 楊樹(shù)成

（西安交通大學(xué)a.能源與動(dòng)力工程專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安710049）

0 引 言

環(huán)境工程是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，水污染控制工程作為環(huán)境工程專業(yè)核心課程之一，內(nèi)容涉及物理、化學(xué)和生物處理等多種廢水處理技術(shù)和工藝，是多門自然科學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用［1-3］。水污染控制工程實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合的重要過(guò)程［4］，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)廢水處理技術(shù)基本理論的鞏固，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，對(duì)拓展學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)面及創(chuàng)新精神具有非常重要的作用［5］。

傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程比較注重概念、原理等知識(shí)的傳授，而以工程思維訓(xùn)練為主的解決復(fù)雜問(wèn)題、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在一定程度受到局限［6］，其原因是課程部分內(nèi)容比較抽象，而大多數(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的因素和水平已經(jīng)給定，這導(dǎo)致水污染控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與快速發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用逐步脫節(jié)，廢水處理的前沿技術(shù)更無(wú)法充分體現(xiàn)［7］。學(xué)生基本停留于水質(zhì)參數(shù)測(cè)定和處理裝置系統(tǒng)的初步認(rèn)識(shí)，無(wú)法深入探索工藝流程、影響因素及反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征等。

但在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)新和探索性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展往往需要面對(duì)很多困難。以廢水好氧生物處理綜合實(shí)驗(yàn)為例，其正常運(yùn)行涉及機(jī)械設(shè)備控制、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整等方面，也往往受接種污泥活性和沉降性能的限制。而且污泥馴化需要數(shù)10天，若改變進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)行條件或反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等參數(shù)，得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也需幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，期間水質(zhì)分析任務(wù)也是非常繁重耗時(shí)［8］。此外，生物反應(yīng)器運(yùn)行效果的好壞與不同結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)部流場(chǎng)特性密切相關(guān)，合適的流態(tài)有利于污染物和微生物的均勻分布和良好接觸，改善微生物的生長(zhǎng)環(huán)境和條件，提高污水處理效率。因受設(shè)備、人力和測(cè)定原理本身的限制，反應(yīng)器流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定很難涵蓋所有流場(chǎng)條件的測(cè)定，實(shí)施過(guò)程也有一定局限性［9］。因此，在教學(xué)中生物處理綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)展困難重重，也正因缺失實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)認(rèn)知和訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)生物處理工藝的認(rèn)知始終處于抽象狀態(tài)。

在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新型人才為目標(biāo)［10］，高校的研究者們從未停止過(guò)對(duì)其探索，現(xiàn)代化教育技術(shù)因交互性、及時(shí)性及直觀性等多種優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革上引起人們更多的關(guān)注［11］，許美蘭等［7］、段鳳魁等［12］探索了虛擬仿真技術(shù)在水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，彌補(bǔ)部分實(shí)驗(yàn)難以操作的不足。楊爽等［13］、于欣欣等［14］通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，引入工程仿真在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，模擬科研情景的模式，讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。王永強(qiáng)［15］利用ANSYS/FLOTRAN技術(shù)輔助教學(xué)，使學(xué)生更好地了解水污染控制工程的反應(yīng)機(jī)理和工藝過(guò)程，同時(shí)也補(bǔ)充在實(shí)際操作中難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

為此，課題組嘗試?yán)貌煌虒W(xué)手段的互補(bǔ)促進(jìn)作用，創(chuàng)設(shè)科研情境，借助數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突破現(xiàn)有教學(xué)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)在時(shí)空上的制約。并以厭氧內(nèi)循環(huán)（Internal Circulation，IC）反應(yīng)器的流場(chǎng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)為例探索數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，模擬流場(chǎng)特性，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題的探索中掌握厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)，極大促進(jìn)了學(xué)生對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

1 數(shù)值模擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，新時(shí)代我國(guó)教育改革發(fā)展應(yīng)“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念”［7］。在此背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化是發(fā)展的必然趨勢(shì)和迫切需要。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立一個(gè)能夠反映問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，尋求高效率、高質(zhì)量、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方式，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)程序的編制，并完成計(jì)算驗(yàn)證［16］。因此，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息化的重要手段和載體［17］。對(duì)于一些概念理解抽象、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)、存在安全隱患的綜合性實(shí)驗(yàn)，可以借助數(shù)值模擬技術(shù)，更形象直觀地理解，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和鞏固，提高實(shí)驗(yàn)效率。在數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）確定合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合本科大創(chuàng)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)及開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓一些學(xué)有余力的學(xué)生參與復(fù)雜問(wèn)題的模擬研究，或承擔(dān)簡(jiǎn)單的科研模擬任務(wù)，既鞏固課堂所學(xué)理論內(nèi)容，又可以引導(dǎo)學(xué)生拓展知識(shí)面，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新的科研能力［18］。

（2）學(xué)習(xí)模擬實(shí)驗(yàn)方法?？紤]到本科生的實(shí)際能力情況，在學(xué)生獨(dú)立模擬實(shí)驗(yàn)之前，老師先做簡(jiǎn)單介紹，對(duì)模擬對(duì)象建立幾何模型，通過(guò)改變相關(guān)變量，得到數(shù)值模擬求解過(guò)程，講解所采用的理論，詳細(xì)講解結(jié)果分析方法，以及邊界條件的變化設(shè)置。先安排具體、簡(jiǎn)單的模擬任務(wù)，讓學(xué)生自主選擇時(shí)間和地點(diǎn)完成，采用開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力［19］。

（3）開(kāi)展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。掌握實(shí)驗(yàn)方法后，學(xué)生可獨(dú)立模擬具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)比對(duì)模擬結(jié)果，確定最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在整個(gè)模擬過(guò)程中，學(xué)生是實(shí)驗(yàn)主體，老師在其中對(duì)有異議的給出合理的建議，并進(jìn)行啟發(fā)性的引導(dǎo)，讓學(xué)生主動(dòng)解決問(wèn)題［20］，完成模擬實(shí)驗(yàn)。

（4）數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作。并通過(guò)比對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解，驗(yàn)證模擬過(guò)程各參數(shù)準(zhǔn)確性，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 教學(xué)案例分析

厭氧反應(yīng)器研究與開(kāi)發(fā)一直是厭氧技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，反應(yīng)器內(nèi)部流體力學(xué)特性對(duì)生化反應(yīng)過(guò)程也有著極大的影響［12，21］，以厭氧IC反應(yīng)器的流場(chǎng)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合實(shí)驗(yàn)為例，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dgnamics，CFD）軟件模擬實(shí)驗(yàn)室規(guī)模IC反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng)，并且對(duì)其內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行初步探索，使學(xué)生掌握IC反應(yīng)器流場(chǎng)特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生物反應(yīng)器流態(tài)研究的基本方法。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

2.1.1 模型搭建

根據(jù)IC反應(yīng)器運(yùn)行條件下的特點(diǎn)，假設(shè)氣液流動(dòng)過(guò)程為不可壓縮，相間沒(méi)有質(zhì)量傳遞，且不考慮溫度和傳熱的影響。參考相關(guān)研究［22-23］，模擬過(guò)程將氣液固3相系統(tǒng)簡(jiǎn)化為氣液兩相系統(tǒng)，選用歐拉氣液兩相流模型，利用空氣模擬沼氣，清水模擬廢水。利用Gambit軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)氣體和液體進(jìn)口、氣液界面以及氣體出口進(jìn)行網(wǎng)格加密，確保滿足精度要求。

邊界條件：IC反應(yīng)器進(jìn)水口以及產(chǎn)氣帶設(shè)為速度進(jìn)口條件，第2反應(yīng)室上方溢流堰處設(shè)置為自由液面，集水槽上方設(shè)置氣體壓力出口，所有其他固體表面，包括第1、2級(jí)三相分離器以及兩個(gè)反應(yīng)室各自的導(dǎo)流筒均設(shè)置成無(wú)滑移壁面邊界條件。初始條件：液相初始速度為0，氣相體積分?jǐn)?shù)為1，其他為默認(rèn)值。氣液交界以上為氣體區(qū)域，以下為液體區(qū)域。

數(shù)值計(jì)算：選擇基于壓力的二維隱式求解器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，壓力耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算［24］。

2.1.2 流場(chǎng)模擬

IC反應(yīng)器主體高400 mm，直徑150 mm；三相分離器集氣罩高度為70 mm，進(jìn)口處直徑100 mm，上端安裝提升管直徑12 mm，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界類型設(shè)置，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent中，進(jìn)行相同步長(zhǎng)的瞬態(tài)運(yùn)算，至流態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，得到的通氣時(shí)間相等時(shí)停止計(jì)算，取其結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 IC反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果

以進(jìn)氣量為0.08 m3/h的反應(yīng)器模擬結(jié)果為例，如圖1（a）所示，第1反應(yīng)室中氣體從底部均勻進(jìn)入反應(yīng)器，帶動(dòng)液體向上運(yùn)動(dòng)，徑向范圍內(nèi)從反應(yīng)器壁面到中心軸處，液速增大；液體主要從中心軸大流速區(qū)域被氣體攜帶，經(jīng)過(guò)第1級(jí)三相分離器，進(jìn)入提升管［見(jiàn)圖1（b）］；反應(yīng)器中心大流速附近形成渦流，液體局部回流返混，不進(jìn)入提升管。氣液進(jìn)入分離器，氣體由出口流出，液體內(nèi)部循環(huán)。通過(guò)流場(chǎng)模擬，學(xué)生很直觀地理解反應(yīng)器內(nèi)氣液的流動(dòng)狀態(tài)，加深了對(duì)IC反應(yīng)器運(yùn)行的認(rèn)識(shí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模IC反應(yīng)器速度矢量分布

IC反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后各指標(biāo)如圖2所示，分別為湍流強(qiáng)度分布［見(jiàn)圖2（a）］、液相速度分布［見(jiàn)圖2（b）］和氣含率分布［見(jiàn)圖2（c）］?？梢?jiàn)，在三相分離器直徑范圍內(nèi)，湍流強(qiáng)度明顯高于反應(yīng)器其他區(qū)域。結(jié)合液相速度分布圖可知，速度大的區(qū)域相應(yīng)湍流強(qiáng)度大，這正是氣體作用的體現(xiàn)。圖2（c）中三相分離器集氣罩及提升管內(nèi)氣含率明顯高于反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)域，沿中心軸路徑阻力最小，氣體多數(shù)由此向上帶動(dòng)液體流動(dòng)；第1反應(yīng)室內(nèi)氣含率高于第2反應(yīng)室，可見(jiàn)三相分離器以及氣封可以很好地起到收集氣體的作用。

圖2 IC反應(yīng)器流場(chǎng)各指標(biāo)分布云圖

2.3 實(shí)驗(yàn)可行性驗(yàn)證

采用不同進(jìn)氣量，實(shí)驗(yàn)室操作IC反應(yīng)器，測(cè)定反應(yīng)器的提升液量，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證CFD模擬可行性。

由圖3所示可見(jiàn)，在氣量范圍為0.05～0.08 m3/h范圍內(nèi)模擬結(jié)果吻合度較高，其相對(duì)誤差均低于15%，而在0.09～0.1 m3/h范圍內(nèi)相對(duì)誤差明顯增大，但仍然低于30%。其原因是曝氣管泵入的氣體速度增大，在反應(yīng)器有限的高度內(nèi)不能達(dá)到反應(yīng)器內(nèi)均勻分布，導(dǎo)致氣體停留時(shí)間減小，液體提升量減?。欢鳦FD模擬中，設(shè)置氣體進(jìn)口面積小，布?xì)饩鶆?，進(jìn)氣量變化范圍不大的情況下對(duì)提升量的增大趨勢(shì)影響不大，導(dǎo)致在較高的產(chǎn)氣量下，模擬的提升量明顯高于實(shí)驗(yàn)提升量。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)采用數(shù)值模擬的技術(shù)，教學(xué)效果主要在兩個(gè)方面有明顯提升。

（1）學(xué)生理解掌握基本理論和分析問(wèn)題的能力有顯著提高。借助CFD技術(shù)后，學(xué)生對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)有更直觀、更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，通過(guò)觀察和分析云圖分布，對(duì)IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有更深入的理解，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的現(xiàn)象更容易解釋，并能夠自主預(yù)判反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。開(kāi)展數(shù)值模擬可以為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供指導(dǎo)，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)操作流程，不僅提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了他們的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（2）彌補(bǔ)水污染控制實(shí)驗(yàn)體系的欠缺。利用CFD技術(shù)可以使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)廢水生物處理工藝實(shí)驗(yàn)順利有效地完成，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，能夠立刻得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了學(xué)生自主性及對(duì)知識(shí)運(yùn)用和轉(zhuǎn)化能力。同時(shí)CFD技術(shù)避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因多種因素干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性影響，使學(xué)生將理論、實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用更好地聯(lián)系起來(lái)，豐富了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，拓展了實(shí)驗(yàn)空間，使得水污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系更加完善。

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為實(shí)踐過(guò)程的一個(gè)教學(xué)手段，可以很好地完成教學(xué)內(nèi)容的探索與實(shí)踐，提高學(xué)生的廢水處理實(shí)踐和創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)及參加科研都具有積極的作用［18］。目前已逐步在其他實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用及推廣，今后水污染控制工程實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)在課程體系、教學(xué)模塊及教學(xué)技術(shù)手段等方面進(jìn)一步發(fā)展和完善，以適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求。