Моделирование очистки сточных вод на базе CFD-модели: экспресс-расчет
Loading...
Date
2020
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна
Abstract
RU: Цель. В работе предусмотрена разработка CFD-модели для оценки эффективности очистки сточных вод в горизонтальном отстойнике. CFD-модель может быть применена для расчета гидродинамики течения и массопереноса в сооружениях, имеющих сложную геометрическую форму в области движения потока сточных вод. Методика. Для численного моделирования процесса движения сточных вод в горизонтальном отстойнике использованы две математические модели. Первая модель основана на уравнениях движения вязкой несжимаемой жидкости – уравнениях Навье–Стокса. Эти уравнения записаны в переменных «завихренность – функция тока». Для расчета концентрации загрязнителя в горизонтальном отстойнике использовано двухмерное уравнение массопереноса. Для численного интегрирования этого уравнения применена конечно-разностная схема расщепления. Расщепление моделирующего уравнения массопереноса проведено таким образом, чтобы на каждом дробном шаге неизвестное значение концентрации загрязнителя определять по явной формуле. Для численного интегрирования уравнения переноса вихря и уравнения для функции тока (система уравнений Навье–Стокса) использованы конечно-разностные схемы расщепления. Результаты. На базе разработанной CFD-модели создан комплекс компьютерных программ, позволяющий определять эффективность очистки воды в горизонтальном отстойнике. Представлены результаты проведенного вычислительного эксперимента по оценке эффективности очистки воды в отстойнике с дополнительными элементами в виде пластин. Научная новизна. Создана эффективная CFD-модель, позволяющая оперативно оценивать эффективность очистки сточных вод в горизонтальном отстойнике с дополнительными элементами. Эта модель учитывает геометрическую форму очистного сооружения и наиболее существенные физические факторы, влияющие на эффективность очистки воды в горизонтальных отстойниках: неравномерное поле скорости потока сточных вод, процессы диффузии, различное положение входных и выходных отверстий очистного сооружения. Практическая значимость. Построенная CFD-модель относится к классу «диагностических моделей» и может быть использована для оценки эффективности очистных сооружений на этапе их эскизного проектирования.
UK: Мета. У роботі передбачено розробку CFD-моделі для оцінки ефективності очищення стічних вод у горизонтальному відстійнику. CFD-модель може бути використана для розрахунку гідродинаміки течії і масопереносу в спорудах, що мають складну геометричну форму в області руху потоку стічних вод.Методика. Для чисельного моделювання процесу руху стічних вод у горизонтальному відстійнику використано дві математичні моделі. Перша модель застосована на рівняннях руху в'язкої нестисливої рідини – рівняннях Нав’є–Стокса. Ці рівняння записано у змінних «завихреність – функція потоку». Для розрахункуконцентрації забруднювача в горизонтальному відстійнику використано двовимірне рівняння масопереносу. Для чисельного інтегрування цього рівняння застосовано кінцево-різницеву схему розщеплення. Розщеплення моделювального рівняння масопереносу проведено так, щоб на кожному дробовому кроці невідоме cзначення концентрації забруднювача визначати за явною формулою. Для чисельного інтегрування рівняння переносу вихору та рівняння для функції потоку (система рівнянь Нав’є–Стокса) використано кінцеворізницеві схеми розщеплення. Результати. На базі розробленої CFD-моделі створено комплекс комп’ютерних програм, що дозволяє визначати ефективність очищення води в горизонтальному відстійнику. Представлено результати проведеного обчислювального експерименту з оцінки ефективності очищення води у відстійнику з додатковими елементами у вигляді пластин. Наукова новизна. Створено ефективну CFD-модель, що дозволяє оперативно оцінювати ефективність очищення стічних вод у горизонтальному відстійнику з додатковими елементами. Ця модель враховує геометричну форму очисної споруди та найбільш значущі фізичні фактори, які впливають на ефективність очищення води в горизонтальних відстійниках: нерівномірне поле швидкості потоку стічних вод, процеси дифузії, різне положення вхідних і вихідних отворів очисної споруди. Практична значимість. Побудована CFD-модель належить до класу «діагностичних моделей» і може бути використана для оцінки ефективності очисних споруд на етапі їх ескізного проєктування.
EN: Purpose. Development of CFD model to evaluate the efficiency of wastewater treatment in a horizontal settler. The CFD model can be used to calculate flow hydrodynamics and mass transfer in settlers with complex geometric shape in the area of wastewater flow. Methodology. For numerical simulation of the process of wastewater movement in a horizontal settler, two mathematical models are used. The first model is based on the motion equations of a viscous incompressible fluid – the Navier-Stokes equations. The Navier-Stokes equations are written in the variables «vorticity - flow function». A two-dimensional mass transfer equation is used to calculate the concentration of a pollutant in a horizontal settler. To numerically integrate the two-dimensional mass transfer equation, a finitedifference splitting scheme is used. The splitting of the modeling equation of mass transfer is carried out so that at each fractional step to determine the unknown value of the pollutant concentration by an explicit formula. For numerical integration of the vortex transfer equation and the equation for the flow function (the Navier-Stokes system of equations), finite-difference splitting schemes are used. Findings. Based on the developed CFD model, a complex of computer programs has been developed, which makes it possible to determine the efficiency of water treatment in a horizontal settler with additional elements. The results of a computational experiment to assess the efficiency of water treatment in a horizontal settler with additional elements in the form of plates are presented. Originality. An efficient CFD model has been created, which allows to quickly evaluate the efficiency of wastewater treatment in a horizontal settler with additional elements. The developed CFD model takes into account the geometric shape of the facility and the most significant physical factors, that influence the efficiency of the waste water treatment in horizontal settler: non-uniform flow velocity, diffusion, different position of inlet and outlet openings. Practical value. The developed CFD model belongs to the class of «diagnostic models» and can be used to assess the efficiency of treatment facilities at the stage of their preliminary design.
UK: Мета. У роботі передбачено розробку CFD-моделі для оцінки ефективності очищення стічних вод у горизонтальному відстійнику. CFD-модель може бути використана для розрахунку гідродинаміки течії і масопереносу в спорудах, що мають складну геометричну форму в області руху потоку стічних вод.Методика. Для чисельного моделювання процесу руху стічних вод у горизонтальному відстійнику використано дві математичні моделі. Перша модель застосована на рівняннях руху в'язкої нестисливої рідини – рівняннях Нав’є–Стокса. Ці рівняння записано у змінних «завихреність – функція потоку». Для розрахункуконцентрації забруднювача в горизонтальному відстійнику використано двовимірне рівняння масопереносу. Для чисельного інтегрування цього рівняння застосовано кінцево-різницеву схему розщеплення. Розщеплення моделювального рівняння масопереносу проведено так, щоб на кожному дробовому кроці невідоме cзначення концентрації забруднювача визначати за явною формулою. Для чисельного інтегрування рівняння переносу вихору та рівняння для функції потоку (система рівнянь Нав’є–Стокса) використано кінцеворізницеві схеми розщеплення. Результати. На базі розробленої CFD-моделі створено комплекс комп’ютерних програм, що дозволяє визначати ефективність очищення води в горизонтальному відстійнику. Представлено результати проведеного обчислювального експерименту з оцінки ефективності очищення води у відстійнику з додатковими елементами у вигляді пластин. Наукова новизна. Створено ефективну CFD-модель, що дозволяє оперативно оцінювати ефективність очищення стічних вод у горизонтальному відстійнику з додатковими елементами. Ця модель враховує геометричну форму очисної споруди та найбільш значущі фізичні фактори, які впливають на ефективність очищення води в горизонтальних відстійниках: нерівномірне поле швидкості потоку стічних вод, процеси дифузії, різне положення вхідних і вихідних отворів очисної споруди. Практична значимість. Побудована CFD-модель належить до класу «діагностичних моделей» і може бути використана для оцінки ефективності очисних споруд на етапі їх ескізного проєктування.
EN: Purpose. Development of CFD model to evaluate the efficiency of wastewater treatment in a horizontal settler. The CFD model can be used to calculate flow hydrodynamics and mass transfer in settlers with complex geometric shape in the area of wastewater flow. Methodology. For numerical simulation of the process of wastewater movement in a horizontal settler, two mathematical models are used. The first model is based on the motion equations of a viscous incompressible fluid – the Navier-Stokes equations. The Navier-Stokes equations are written in the variables «vorticity - flow function». A two-dimensional mass transfer equation is used to calculate the concentration of a pollutant in a horizontal settler. To numerically integrate the two-dimensional mass transfer equation, a finitedifference splitting scheme is used. The splitting of the modeling equation of mass transfer is carried out so that at each fractional step to determine the unknown value of the pollutant concentration by an explicit formula. For numerical integration of the vortex transfer equation and the equation for the flow function (the Navier-Stokes system of equations), finite-difference splitting schemes are used. Findings. Based on the developed CFD model, a complex of computer programs has been developed, which makes it possible to determine the efficiency of water treatment in a horizontal settler with additional elements. The results of a computational experiment to assess the efficiency of water treatment in a horizontal settler with additional elements in the form of plates are presented. Originality. An efficient CFD model has been created, which allows to quickly evaluate the efficiency of wastewater treatment in a horizontal settler with additional elements. The developed CFD model takes into account the geometric shape of the facility and the most significant physical factors, that influence the efficiency of the waste water treatment in horizontal settler: non-uniform flow velocity, diffusion, different position of inlet and outlet openings. Practical value. The developed CFD model belongs to the class of «diagnostic models» and can be used to assess the efficiency of treatment facilities at the stage of their preliminary design.
Description
В. Козачина: ORCID 0000-0002-6894-5532; Е. Громова: ORCID 0000-0002-5149- 4165; Е. Гунько: ORCID 0000-0001-9257-763Х
Keywords
очистка сточных вод, численное моделирование, горизонтальные отстойники, очищення стічних вод, чисельне моделювання, горизонтальний відстійник, waste waters treatment, numerical simulation, horizontal settler, КГВ, КАПЗБМ
Citation
Козачина В. А., Громова Е. В., Гунько Е. Ю., Татарко Л. Г. Моделирование очистки сточных вод на базе CFD-модели: экспресс-расчет. Наука та прогрес транспорту. 2020. № 5 (89). С. 15–21. DOI: 10.15802/stp2020/218310.