AWS臭氧消毒過程數(shù)值模擬研究

1、AWS臭氧消毒過程數(shù)值模擬研究荷蘭阿姆斯特丹水處理廠（AWS）應(yīng)用環(huán)保的臭氧消毒方法生產(chǎn)世界上最潔凈的水。由于每年需要生產(chǎn)十億立方米的凈水，所以他們使用的湍流消毒裝置十分巨大。荷蘭AWS的研究人員Jan Hofman和他的研究團(tuán)隊使用COMSOL Multiphysics對這些巨大的裝置內(nèi)部的反應(yīng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。這款軟件的特點是能夠同時處理相互影響、耦合的多重物理現(xiàn)象,并且耦合問題的數(shù)目沒有限制。COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。COMSOL Mult

2、iphysics提供針對不同領(lǐng)域?qū)ｉT設(shè)計的應(yīng)用模塊，包括：聲學(xué)、化學(xué)工程、地球科學(xué)、高頻電磁、低頻電磁、傳熱、微系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。圖1: AWS湍流臭氧裝置構(gòu)造圖。在裝置內(nèi)部是擋板和臭氧消毒裝置。水流繞擋板流動產(chǎn)生小型湍流，從而將水和臭氧氣體混合在一起。在AWS，臭氧反應(yīng)是最主要的消毒步驟。常規(guī)的氯氣消毒方法會產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品：一種包含有三鹵甲烷，鹵乙酸和綠泥石的化學(xué)混合物。水處理廠需要采取一系列的監(jiān)控和凈化措施來處理這些混合物，從而產(chǎn)生了一個新問題，水體經(jīng)過氯氣凈化后是否變得更加糟糕。當(dāng)采用臭氧氣體進(jìn)行消毒時，臭氧能夠?qū)⒂泻Φ挠袡C(jī)物質(zhì)和致病生物如病毒，細(xì)菌和農(nóng)藥等轉(zhuǎn)換成可以被后續(xù)步驟過濾掉的

3、良性物質(zhì)。目前，需要處理大量水體時，臭氧消毒被認(rèn)為是最環(huán)保的可行方法。一個臭氧分子（O3）是由一個氧氣分子和一個氧原子通過化學(xué)鍵相連組成的。由于臭氧分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很容易分解出一個與污染物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的氧原子。由于氧原子會迅速變?yōu)檠鯕?，所以那些沒參與消毒過程的臭氧也會很快消失。采用COMSOL Multiphysics對這個問題進(jìn)行模擬可以很容易的避免或是補救臭氧反應(yīng)后產(chǎn)生的副產(chǎn)品，臬酸鹽。AWS將來自萊茵河的河水轉(zhuǎn)化為飲用水，并將其提供給阿姆斯特丹市和附近區(qū)域的近八十萬居民。萊茵河發(fā)源于瑞士的米的萊茵瓦爾德峰的冰川，最終流入北海。沿途密集的城鎮(zhèn)，開闊區(qū)域和大農(nóng)場產(chǎn)生的許多廢物都流進(jìn)了河

4、水。圖2：Jan Hofman 博士站在AWS的湍流臭氧裝置前端的流量計站附近。他的團(tuán)隊在水處理設(shè)施內(nèi)部的不同位置放置了這樣的流量計。由于測量點排列稀疏，Hofman博士和其他AWS的工程師們應(yīng)用COMSOL Multiphysics計算測量點之間的數(shù)據(jù)。AWS的水體凈化過程包括十四個步驟，這些步驟可以進(jìn)一步提煉為三個主要步驟。第一步是通過沉降去除固體雜質(zhì)，并且在阿姆斯特丹的沙丘上設(shè)置額外的人造沙粒過濾器。第二步是處理水中的各種微小污染物。主要采用湍流臭氧消毒裝置，水體軟化和活性炭過濾器。在最后一步中，水體將通過一系列的精細(xì)過濾器，最后進(jìn)入客戶家中。應(yīng)用臭氧消毒方法后，AWS的水處理效率有了很

5、大提高。因為經(jīng)過臭氧處理過的水體變得十分純凈，完全不需要再用氯氣處理。事實上去年AWS就因為提供最高質(zhì)量的飲用水而獲得了荷蘭的榮譽。在Leiduin的方案中，AWS布置了五個互相平行的湍流臭氧裝置。水體經(jīng)過前面幾個過濾步驟后流入前端系統(tǒng)（圖3）。在這個系統(tǒng)中，水體經(jīng)由管道流向各湍流裝置。在裝置內(nèi)部，水體在繞流部分墻體或擋板后，會產(chǎn)生湍流。湍流使水體和臭氧混合在一起，流入擴(kuò)散器中。擴(kuò)散器的長度剛好能使微小的污染物失去活性。然后水體通過管道流出反應(yīng)堆，剩下的凈化步驟能夠過濾或移除水體中剩余的污染物。圖3: 在流入湍流臭氧裝置前，過濾后的水體流經(jīng)大的管道進(jìn)入一個很長的水渠，其前端直徑甚至能達(dá)到一米。

6、在此處過濾后的水體會與臭氧混合并流經(jīng)小的管道，最終進(jìn)入湍流臭氧裝置。當(dāng)湍流臭氧裝置開始工作后，觀察其內(nèi)部情況是不可能的。所以直到最近，AWS的工程師都在采用分散測量的方法推測其運轉(zhuǎn)情況。他們用流量計和簡單的濃度計收集流場數(shù)據(jù)，還用時間示蹤劑考察從入口到出口的途中水體的流淌時間。Hofman博士和他的團(tuán)隊?wèi)?yīng)用COMSOL Multiphysics中的湍流模型和化學(xué)傳輸和反應(yīng)模型模擬縫隙之間的水體反應(yīng)過程。Hofman博士表示，“COMSOL Multiphysics易于理解和應(yīng)用，我們沒花多少時間就可以應(yīng)用這款軟件建模以及展開合作?！币坏?shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)吻合，工作團(tuán)隊就可以通過反復(fù)修

7、改和求解數(shù)值模型與試驗?zāi)Ｐ?，以便找出新的方案來提高裝置及前端連接裝置組裝在一起的性能。正如Hofman博士所說的：“對裝置和前端連接系統(tǒng)組成的裝配體建立數(shù)值模型為我們節(jié)省了大量的金錢和時間。因為我們可以在計算機(jī)上測試我們的想法，而不必浪費人力和物力去反復(fù)試驗。除此以外，當(dāng)我們向政府報告時，這些數(shù)值模擬的結(jié)果也將起很好到作用。AWS中的湍流裝置十分巨大，大小和一幢房屋相當(dāng)。它是一個巨大的混凝土結(jié)構(gòu)，里面的擋板將整個空間劃分為多個房間大小的部分。圖1所示的裝置有四十米長，五米高，并且被其中的擋板劃分為七個不同寬度的部分。經(jīng)過過濾的河水流進(jìn)裝置，繞擋板流動，最后通過管道流出裝置。在裝置中，一個流量計

8、橫跨第四個U形彎道，并在第五個擋板和裝置外壁之間的位置進(jìn)行采樣。對于這個模型的流體部分，Hofman博士采用了COMSOL Multiphysics中的k-epsilon 湍流模塊。為了快速得到準(zhǔn)確的解，他使用了系數(shù)求解器，并獲得了越來越好的初始壓力和初始流場。模擬結(jié)果顯示，裝置中部狹窄通道內(nèi)的流速與0.17米每秒這個用流量計在真實裝置中測出的值十分接近。（圖4）。圖4: COMSOL Multiphysics 分析結(jié)果顯示了湍流裝置內(nèi)部的流場分布。在擋板末端和反應(yīng)堆外壁之間的U形彎道處，水體的流速加快。但是在反應(yīng)堆的其他位置，水體的流速會減慢，甚至有回流現(xiàn)象出現(xiàn)。為了考察裝置工作時內(nèi)部流體的

9、運動狀態(tài)，研究團(tuán)隊采用示蹤試驗。他們在入口位置注入熒光物質(zhì)，并且跟蹤這些熒光物質(zhì)直到它們通過出口。Hofman博士表示“這些熒光物質(zhì)作為示蹤劑效果很好，因為它們和流體一起運動并且不會和臭氧反應(yīng)。我們在現(xiàn)有的COMSOL Multiphysics模型中添加對流擴(kuò)散模塊，應(yīng)用這個模塊模擬了示蹤劑的運動。最后應(yīng)用積分工具，得到了每一時刻出口處的平均濃度，結(jié)果表明數(shù)值模擬得出的濃度同實際測量出的濃度吻合。”他進(jìn)一步解釋道：“因為數(shù)值模擬得出的結(jié)果同實驗結(jié)果十分吻合，所以我們可以應(yīng)用它來重新設(shè)計裝置，并且在流場中得到更好的一致性?！痹贖ofman博士和他的團(tuán)隊建立的模型中，得到精確的流場對于臭氧擴(kuò)散器的

10、研究至關(guān)重要（圖5）。他解釋說：“在了解水體在裝置中流淌的時間以及流向后，我們就可以更好的設(shè)置消毒裝置和擴(kuò)散器，這樣可以保證污染物與臭氧接觸的時間適當(dāng)，并且不會因為接觸時間過長從而產(chǎn)生溴酸鹽?！?而COMSOL Multiphysics以高效的計算性能和杰出的分析能力保證了多物理場耦合計算的精度，能夠滿足Hofman博士及其團(tuán)隊的要求。圖5: 這張COMSOL Multiphysics的結(jié)果圖片顯示了湍流裝置中臭氧的濃度。AWS 根據(jù)這個結(jié)果放置臭氧擴(kuò)散器，從而提高了臭氧與水體的混合效率。在開始建立一系列復(fù)雜的反應(yīng)鏈前，研究人員首先以COMSOL Multiphysics模型庫中的例子“湍流臭

11、氧裝置”為基礎(chǔ)，建立了一個簡單的反應(yīng)鏈。這個反應(yīng)鏈?zhǔn)且粋€相對簡單的設(shè)計，即對溴化物和臭氧的反應(yīng)進(jìn)行模擬。Hofman博士表示，“在我們開始研究真實裝置中臭氧的反應(yīng)過程時，這樣一個相對簡單的反應(yīng)可能會帶給我們靈感。在COMSOL Multiphysics中打開和修改模型非常簡單。我們應(yīng)用這個模型研究如何排列擋板及設(shè)置擴(kuò)散器可以限制臬酸鹽的產(chǎn)生?，F(xiàn)在我們通過改變模型的外觀來模擬真實的裝置幾何形狀?！盚ofman博士繼續(xù)說道：“應(yīng)用COMSOL Multiphysics用戶能夠快速建立并計算流體運動模型，并且在理解臭氧裝置內(nèi)部反應(yīng)過程，優(yōu)化現(xiàn)有裝置，還有設(shè)計新的裝置等方面都能證明其巨大價值?！痹谶M(jìn)一步研究中，研究團(tuán)隊將泡狀流加入到這個模型中。在真實反應(yīng)中，臭氧像一股氣泡那樣完全分解進(jìn)入水體中，表明擴(kuò)散器附近實際上是臭氧氣體和水組成的二相流。Hofman博士解釋