Моделювання очищення води у горизонтальному відстійнику
Loading...
Date
2019
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. Підвищення ефективності роботи очисних споруд у системах водопостачання та водовідведення є важливою технічною задачею. Для аналізу ефективності очищення води конкретної споруди, на етапі проектування, потрібно мати спеціальні математичні моделі. Метою цієї роботи є розробка чисельної моделі процесу масопереносу у горизонтальному відстійнику для оцінки ефективності його роботи. Методика. Процес розповсюдження забруднювача в очисній споруді (відстійнику) розраховують на базі рівняння розповсюдження домішки, що виражає закон збереження маси. Моделювальне рівняння враховує конвективний перенос домішки та перенос домішки за рахунок турбулентної дифузії. Математична модель враховує нерівномірне поле швидкості потоку в споруді. Для визначення цього нерівномірного поля швидкості потоку використано математичну модель течії ідеальної рідини. При цьому враховано вихрову природу потоку. Результати. Розв’язання моделювальних рівнянь знайдено чисельним шляхом. Для чисельного інтегрування моделювального рівняння переносу в споруді використано різницеві схеми розщеплення. Базове рівняння масопереносу попередньо розщеплено на рівняння, що враховує рух домішки у відстійнику за рахунок конвекції, та на рівняння, що враховує перенос домішки за рахунок дифузії. Для чисельного інтегрування моделювальних рівнянь течії нев’язкої рідини використано неявні різницеві схеми розщеплення. Чисельний розрахунок здійснено на прямокутній різницевій сітці. Наукова новизна. Особливістю розробленої математичної моделі є можливість визначення поля швидкості та процесу переносу домішки з урахуванням геометричної форми відстійників та можливістю використання в них пластин, що впливають на гідродинаміку потоку в споруді, а значить – на ефективність очищення води. Практична значимість. Час розрахунку одного варіанта завдання на базі побудованих математичних моделей складає кілька секунд. Моделі можна використати для отримання експертної оцінки роботи очисних споруд, які проектують. Зазначено результати проведеного обчислювального експерименту з визначення ефективності роботи відстійника з двома пластинами.
RUS: Цель. Повышение эффективности работы очистных сооружений в системах водоснабжения и водоотведения – важная техническая задача. Для анализа эффективности очистки воды конкретного сооружения, на этапе проектирования, нужно иметь специальные математические модели. Целью данной работы является разработка численной модели процесса массопереноса в горизонтальном отстойнике для оценки эффективности его работы. Методика. Процесс распространения загрязнителя в очистном сооружении (отстойнике) рассчитывают на базе уравнения распространения примеси, что выражает закон сохранения массы. Моделирующее уравнение учитывает конвективный перенос примеси и перенос примеси за счет турбулентной диффузии. Математическая модель учитывает неравномерное поле скорости потока в сооружении. Для определения этого неравномерного поля скорости потока используют математическую модель течения идеальной жидкости. При этом учитывают вихревую природу потока. Результаты. Решение моделирующих уравнений найдено численным путем. Для численного интегрирования моделирующего уравнения переноса в сооружении использованы разностные схемы расщепления. Базовое уравнение массопереноса предварительно расщеплено на уравнения, учитывающие движение примеси в отстойнике за счет конвекции, и на уравнения, учитывающие перенос примеси за счет диффузии. Для численного интегрирования моделирующих уравнений течения невязкой жидкости использованы неявные разностные схемы расщепления. Численный расчет осуществлен на прямоугольной разностной сетке. Научная новизна. Особенностью разработанной математической модели является возможность определения поля скорости и процесса переноса примеси с учетом геометрической формы отстойников и возможностью использования в них пластин, влияющих на гидродинамику потока в сооружении, а значит – на эффективность очистки воды. Практическая значимость. Время расчета одного варианта задания на базе построенных математических моделей составляет несколько секунд. Модели можно применить для получения экспертной оценки работы проектируемых очистных сооружений. Описаны результаты проведенного вычислительного эксперимента по определению эффективности работы отстойника с двумя пластинами.
ENG: Purpose. Improving the efficiency of wastewater treatment plants in water supply and sanitation is an important technical task. To analyze the effectiveness of water treatment of a particular structure, at the design stage, you need to have special mathematical models. The work is aimed to develop a numerical model of the mass transfer process in a horizontal settler to assess its performance. Methodology. The spread of the pollutant in the treatment plant (settler) is calculated on the basis of the distribution equation of the impurity, which expresses the law of mass conservation. The modeling equation takes into account the convective transfer of impurities and the transfer of impurities due to turbulent diffusion. The mathematical model takes into account the uneven flow velocity field in the building. To determine this uneven flow velocity field, a mathematical model of the flow of an ideal fluid is used. In this case, the vortex nature of the flow is taken into account. Findings. The solution of modeling equations is found numerically. For numerical integration of the modeling transport equation in the structure, difference splitting schemes were used. The basic mass transfer equation is preliminarily split into equations that take into account the movement of an impurity in a settling tank due to convection, and into equations that take into account the transfer of an impurity due to diffusion. For numerical integration of the modeling equations of the inviscid fluid flow, implicit difference splitting schemes are used. The numerical calculation is carried out on a rectangular difference grid. Originality. A feature of the developed mathematical model is the possibility of modeling the velocity field and the process of impurity transfer taking into account the geometric shape of the settlers and the possibility of using plates in them, which affect the flow hydrodynamics in the structure and, therefore, the efficiency of water treatment. Practical value. The calculation time for one version of the task based on the constructed mathematical models is a few seconds. The models can be used to obtain an expert assessment of the operation of treatment facilities designed. The results of a computational experiment in determining the efficiency of the settler with two plates are presented.
RUS: Цель. Повышение эффективности работы очистных сооружений в системах водоснабжения и водоотведения – важная техническая задача. Для анализа эффективности очистки воды конкретного сооружения, на этапе проектирования, нужно иметь специальные математические модели. Целью данной работы является разработка численной модели процесса массопереноса в горизонтальном отстойнике для оценки эффективности его работы. Методика. Процесс распространения загрязнителя в очистном сооружении (отстойнике) рассчитывают на базе уравнения распространения примеси, что выражает закон сохранения массы. Моделирующее уравнение учитывает конвективный перенос примеси и перенос примеси за счет турбулентной диффузии. Математическая модель учитывает неравномерное поле скорости потока в сооружении. Для определения этого неравномерного поля скорости потока используют математическую модель течения идеальной жидкости. При этом учитывают вихревую природу потока. Результаты. Решение моделирующих уравнений найдено численным путем. Для численного интегрирования моделирующего уравнения переноса в сооружении использованы разностные схемы расщепления. Базовое уравнение массопереноса предварительно расщеплено на уравнения, учитывающие движение примеси в отстойнике за счет конвекции, и на уравнения, учитывающие перенос примеси за счет диффузии. Для численного интегрирования моделирующих уравнений течения невязкой жидкости использованы неявные разностные схемы расщепления. Численный расчет осуществлен на прямоугольной разностной сетке. Научная новизна. Особенностью разработанной математической модели является возможность определения поля скорости и процесса переноса примеси с учетом геометрической формы отстойников и возможностью использования в них пластин, влияющих на гидродинамику потока в сооружении, а значит – на эффективность очистки воды. Практическая значимость. Время расчета одного варианта задания на базе построенных математических моделей составляет несколько секунд. Модели можно применить для получения экспертной оценки работы проектируемых очистных сооружений. Описаны результаты проведенного вычислительного эксперимента по определению эффективности работы отстойника с двумя пластинами.
ENG: Purpose. Improving the efficiency of wastewater treatment plants in water supply and sanitation is an important technical task. To analyze the effectiveness of water treatment of a particular structure, at the design stage, you need to have special mathematical models. The work is aimed to develop a numerical model of the mass transfer process in a horizontal settler to assess its performance. Methodology. The spread of the pollutant in the treatment plant (settler) is calculated on the basis of the distribution equation of the impurity, which expresses the law of mass conservation. The modeling equation takes into account the convective transfer of impurities and the transfer of impurities due to turbulent diffusion. The mathematical model takes into account the uneven flow velocity field in the building. To determine this uneven flow velocity field, a mathematical model of the flow of an ideal fluid is used. In this case, the vortex nature of the flow is taken into account. Findings. The solution of modeling equations is found numerically. For numerical integration of the modeling transport equation in the structure, difference splitting schemes were used. The basic mass transfer equation is preliminarily split into equations that take into account the movement of an impurity in a settling tank due to convection, and into equations that take into account the transfer of an impurity due to diffusion. For numerical integration of the modeling equations of the inviscid fluid flow, implicit difference splitting schemes are used. The numerical calculation is carried out on a rectangular difference grid. Originality. A feature of the developed mathematical model is the possibility of modeling the velocity field and the process of impurity transfer taking into account the geometric shape of the settlers and the possibility of using plates in them, which affect the flow hydrodynamics in the structure and, therefore, the efficiency of water treatment. Practical value. The calculation time for one version of the task based on the constructed mathematical models is a few seconds. The models can be used to obtain an expert assessment of the operation of treatment facilities designed. The results of a computational experiment in determining the efficiency of the settler with two plates are presented.
Description
В. Козачина: ORCID 0000-0002-6894-5532; В. Шинкаренко: ORCID 0000-0001-8738-7225; І. Бондаренко: ORCID 0000-0003-4717-3032; В. Габрінець: ORCID 0000-0002-6115-7162; В. Горячкін: ORCID 0000-0002-8952-952X
Keywords
очищення води, математичне моделювання, очисні споруди, очистка воды, математическое моделирование, очистные сооружения, water treatment, mathematical modeling, wastewater treatment plants, КГВ, КІТ, КККГ, КТ
Citation
Козачина В. А., Шинкаренко В. I., Бондаренко І. О., Габрінець В. О., Горячкін В. М. Моделювання очищення води у горизонтальному відстійнику. Наука та прогрес транспорту. 2019. № 5 (83). С. 36–42. DOI: 10.15802/stp2019/184467.