建筑 能 ＬＯＷ ＣＡＲＢ０ＮＷ０ＲＬＤ ２０１７／３ 基于ＣＦＤ的水处理构筑物数值模拟操作要点分析 陆先镭 ，胡远来ｚ，樊佳 ，周文 ，吴羽璇 （１＿中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙４１０００７；２．中国市政工程东北设计研究总院有限公司湖南分公司，湖南长沙４１０２０５） 【摘要】本文以商业ＣＦＤ软件Ｆ１ｕｅｎｔ为例，针对数值模拟的基本步骤和构筑物的流体特性，对水处理构筑物数值模拟的操作要点进行分析总 结，为研究人员采用ＣＦＤ技术对水处理构筑物进行数值模拟提供参考。 【关键词】ＣＦＤ（计算流体力学）；水处理构筑物；操作要点 【中图分类号】ＴＰ３９１．７２ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１７）０８—０１７８—０２ 目前水处理构筑物（自来水厂、污水处理厂）设计大部分 采用传统的经验法或物理模拟法，存在以下问题：经验法依据 现行的设计规范和设计手册，控制参数取值过宽，没有考虑工 程个体差异，实际控制意义不强：物理模拟法主要依据小型试 验确定设计参数，耗时长、费用高，在工程应用时需要放大设 计．准确度不高。 计算流体力学（ＣＦＤ）以计算机为工具，通过建立流体运 动基本控制方程组．对流动问题进行数值模拟。得到各基本物 理量在流场内的分布及其随时间的变化情况，以解决实际流 体运动问题。ＣＦＤ能很好地克服经验法和物理法的弱点．且计 算速度快。精度高，工作量较少。采用ＣＦＤ对水处理构筑物进 行数值模拟，可获得准确的控制参数信息【“，进而优化设计．既 给工程设计以理论指导．又可提高构筑物处理效果，降低自来 水厂和污水厂运行能耗（加药量和设备能耗）。 下面以商业ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ为例．针对数值模拟的基本 步骤：确定数学模型一网格划分一设定边界条件和初始条 件一模拟计算，分析总结水处理构筑物数值模拟操作要点 １确定数学模型 １．１流体性质分析 模拟对象流体性质分析是确定数学模型。进行数值模拟 的首要步骤 流体性质分析包括对流体类型、流动性质和流动状态的 分析。水处理构筑物内主要研究的流体类型为水、空气、悬浮 物和泥沙等，为粘性牛顿流体。在研究构筑物稳定运行时流体 运动状态时，流动过程为定常运动，采用的模拟方法为稳态模 拟：在研究一段时间内构筑物流体运动随时间的变化情况时， 流体流动过程为非定常流动．采用的模拟方法为非稳态模拟。 对水处理构筑物内雷诺数（Ｒｅ）进行计算总结，发现流体的流 态基本为湍流。 １．２确定数学模型 水处理构筑物的流体运动基本方程组包括质量守恒方 程、动量守恒方程和能量守恒方程。热交换对水处理构筑物流 体运动造成的影响较小．大部分情况下可忽略，仅在研究热交 换的具体影响才考虑，所以水处理构筑物数值模拟仅在研究 温度的影响时才使用能量守恒方程。 水处理构筑物模拟适用的湍流模型为基于雷诺平均Ｎ—Ｓ 方程组（ＲＮＳ）的标准ｋ一８两方程或ＲＮＧ ｋ一８两方程模型。其 中标准ｋ一８两方程模型虽然在强旋流、弯曲壁面流动、弯曲流 线运动和低雷诺数流动时时，会产生一定失真．但在水处理构 筑物模拟中计算准确度已可满足要求：ＲＮＧ ｋ一￡模型是对标 准ｋ—ｓ模型的修正．具有更好的可信度和更高的精度［２１ 水处理构筑物内往往有多种流体运动．研究不同流体的 分布时要使用多相流模型 进行稳态模拟时．适用的多相流模 型为Ｍｉｘｔｕｒｅ模型和Ｅｕｌｅｒｉａｎ模型 进行非稳态模拟时．适用 ｌ７８ 的多相流模型为Ｍｉｘｔｕｒｅ模型、Ｅｕｌｅｒｉａｎ模型和ＶＯｌＵｌＴＩｅ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ （ＶＯＦ）模型 ２网格划分 划分网格的目的是进行计算区域的离散化．即将空间上 连续的计算区域３ｔ＇】分成许多子区域，并确定每个区域中的节点。 在采用Ｆｌｅｎｔ软件进行模拟计算前，需先采用Ｇａｍｂｉｔ、ＩＣＥＭＣＦＤ 等软件建立数值模型，划分计算网格。网格的选用综合考虑划 分网格时间、计算量和精确度，根据实际情况而定。 ２．１划分网格时间 对于复杂的几何体划分块结构网格（四边形或六面体）非 常耗时．采用三角形或四面体节点的非结构化网格将大大减 少划分网格所需时间 而对于简单几何体，结构化网格或非结 构化网格的划分时间都是可接受的 ２．２计算量 几何体较复杂或计算域较大时．采用三角形或四面体网 格可大大较少网格数．但精确度可能受到影响。对于简单几何 体，宜使用四边形或六面体网格；对于中等复杂的几何体，宜 使用非结构化四边形或六面体网格：对于较复杂的几何体．使 用三角形或四面体网格。并配合棱柱形边界层网格：对于及其 复杂的几何体．使用纯三角形或四面体网格 ２．３精确度 多尺度的流体计算容易产生不是实际物理过程的数值扩 散（假扩散）。Ｆｌｕｅｎｔ中采用二阶精度格式与ＭＵＳＣＬ离散格式 能减小数值扩散：增加网格数也能在一定程度上减小数值扩 散；当流动方向与网格正交时，数值扩散最低，使用三角形或 四面体网格，流动永远也不会与网格正交，而采用四边形或六 面体网格，通过网格的布置有可能使网格与流动方向正交．减 小数值扩散的影响Ｉ引 ３设定边界条件和初始条件 ３．１边界条件 水处理构筑物的物理边界包括：进口、出口、池壁、池底、 内部构造（导流板、隔墙等）和液面。 水处理构筑物进口一般采用的边界类型为速度进口．根 据进水流量和进口尺寸确定速度进口的速度值、当量水力直 径和湍流强度 出口采用的边界类型有自由出流、压力出口和速度出口 当出口为充分发展的流动时采用自由出流边界．对应的水处 理构筑物出口类型一般为溢流堰和外部为大气压的出流。自 由出流边界只需设定出流质量比，不需再设置其它参数。＂３出 －口为有压出流或存在回流时采用压力出口边界．对应的水处 理构筑物出口类型一般为淹没出流． 当出口为固定速度的强 制出流时采用速度出口（速度设置为负值）边界．对应的水处 理构筑物出口类型一般为水泵出流．根据强制出流量和出口 ＬＯＷ ＣＡＲＢｏＮ Ｗ０ＲＬＤ ２０１７／３ 堡篁塑 Ｉ 建筑工程安全生产中存在的问题与对策分析 夏建平（杭州中豪建设工程有限公司，浙江杭州３１００２０） 【摘要】建筑安全生产管理是建筑施工企业长久生存和发展的重要因素，也关乎社会的稳定。所以必须耍加强建筑工程安全生产管理，最大限 度的减少建筑工程生产的各种安全事故。 【关键词】建筑工程 安全生产 问题与对策 【中图分类号】ＴＵ７１４ 【文献标识码】Ａ 【文章￣１２ｏ９５—２０６６［２０１７）０８—０１７９—０２ １建筑工程安全生产 建筑工程安全生产是工程项目按时完工的关键，也是企 ２．２专职安全人员配备不足 建筑工程安全生产管理人员一般都是经过国家认证具有 一定专业知识与实践能力的人才，但是由于我国在这方面的 业发展的重要保证 在建筑工程建设施工的过程中一定要加 人才储备还有所不足。建筑企业为了降低 强安全管理的举措．但是目前我国很多的建筑企业对于安全 发展时间还比较短．生产管理的措施，还达不到国家对于安全管理的要求，目前我 成本也不愿意招聘高质量的安全管理人员。没有对建筑施工 国建筑行业对于建筑工程安全生产还需要不断的完善。在我 人员做好相应的安全培训工作．建筑施工人员对一些安全措 国每年都有大量的施工人员因为安全事故而失去生命。 施缺乏了解。根据相关调查，当前我国从事建筑安全管理的人 员在九千左右．其中具有专业知识并且从事建筑工程安全管 理的只有６２％．另外３８％只是通过了相关的认证，对于建筑安 全管理工作似懂非懂。目前我国对这方面的人才储备非常的 欠缺。 ２建筑工程项目安全生产存在的主要的问题 ２．１建筑企业人为因素． 在我国的许多项目工程中，项目经理、项目总监和专业的 安全管理人员都只是项目投标与工程项目备案的陈列品，在 工程项目建设施工中没有发挥丝毫的作用，在项目工程建设 ２．３安全监管机构不健全 目前我国很多省、市设立有主管安全生产的监管机构，但 施工时，负责安全管理的则是老板或者一些建筑工人执行，除 是还是有很多的市县没有设立安全生产监管机构，也没有配 了一些特别重大的工程项目，建筑企业很少使用具有专业知 备专职的安全生产监管人员，使安全生产监管处于没人管理 识的安全管理人员．进行现场施工安全管理工作。由于工程项 的状况．有的市县即使设立的相关的监管机构，并配有安全监 目施工的环境一般比较恶劣．安全管理人员也不是特别愿意 督人员．但是安全管理不能实际有效的进行，对安全生产监督 进行现场的安全管理工作。一些本来可以避免的安全事故，但 管理相关的法规、制度、标准也不能落实下去。 是由于人为因素而发生．给建筑企业与社会稳定带来一定的 影响 ２．４安全生产责任制度落实不到位 尺寸确定速度出口的速度值、当量水力直径和湍流强度。 性；⑥进口边界条件的性。 水处理构筑物对计算精度要求不是很严格，收敛性指标 满足前５条即可 对于某些残差不满足上述数值的模拟，只要 计算结果符合物理事实，也可认为收敛。如果计算不收敛则须 返回边界条件设置．必要时还需返回修改数值模型，并重新划 分网格 池壁、池底、内部构造（导流板、隔墙等）采用壁面边界，使 用标准壁面函数。 自由液面采用铜盖假定和无剪切力假定．将其设置为关 于流体的对称面 ３．２初始条件 进行数值模拟计算前必须给定初始条件，初始条件的给 ５结论 定并不影响计算过程的实施，给定初始值即可，一般不需再处 从数值模拟的基本步骤出发．针水处理构筑物内流体特 理 初始方法有两种：全局初始化和局部修补，在进行局部修 性，对其基于ＣＦＤ的数值模拟操作要点进行了分析总结。根 补之前，应该先进行全局初始化。对于非稳态模拟，一般采用 据操作要点可有效避免操作和设置错误．提高模拟研究工作 稳态模拟的结果作为初始条件，计算更易收敛。 ４模拟计算 ４．１算法确定 效率．为研究人员采用ＣＦＤ技术对水处理构筑物进行数值模 拟提供参考。 压力——速度耦合算法可采用ＳＩＭＰＬＥ算法、ＳＩＭＰＬＥＣ ［１］江帆，黄鹏．Ｆｌｕｅｎｔ高级应用与实例分析【Ｍ】．北京：清华大学出版 算法，两者基本思路一致，对模拟结果的影响可忽略。ＳＩＭ— 参考文献 ＰＬＥＣ算法是ＳＩＭＰＬＥ算法的改进，收敛速度较快。 社。２ｏｏ８． ４．２计算收敛判定标准 ［２］ｇ卫宁，陆先镭，胡远来．平流沉淀池前配水渠流态的数值模拟［Ｊｌ１ ．中国给水排水，２０１３，２９（７）：５６￣５８． ①计算结果对网格；（ 计算域中敏感位置的物理量 ［３］唐家鹏．ＦＬＵＥＮＴ１４．０超级学习手册［Ｍ］．北京：人民邮电出版社， 随迭代进行不继续变化；⑧残差满足要求：能量方程（不考虑 ２０】３． 热量交换则无此项）≤１０ 、组分方程≤１０ 、其它≤１０ ，同时 收稿日期：２０１７—３—２ （不考虑热量交换则无此项）守恒，偏差在５％以内；（ 近壁区 作者简介：陆先镭（１９８７一），女，湖南娄底人，中级工程师，硕士 残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓；④质量、能量 的性．即检查计算结果对壁面函数或近壁区处理方式的 研究生．从事给海绵城市工程技术研究和设计工作。 １７９
