Математическое моделирование гидродинамических и водоочистных процессов

В.И. Баженов, доктор технических наук, профессор кафедры «Водоотведения и водной экологии» МГСУ, исполнительный директор ЗАО "ВИВ"

"Яковлевские чтения". IX научно-техническая конференция. Сборник докладов (Москва. 18-19 марта 2014 г.)

Ключевые слова: математическое моделирование, имитационное моделирование, программное обеспечение, очистка природных вод, очистка сточных вод.

Время настоятельно диктует использование программного обеспечения (ПО) на базе достаточно сложных и комплексных математических моделей для увеличения достоверности расчетов и их натурализации. Современное ПО обеспечивает полное представление о поведении объекта в динамических условиях, т.е. во времени. При этом реализуется возможность рассматривать состояние объектов в статических условиях с учетом анализа другой переменной, например по длине, или глубине сооружений. Это очень важно, поскольку учитывает гидродинамические параметры сооружений.

Развитие ПК (начало 1990-х г.г.) позволило объединять различные локальные математические модели в единую последовательную цепочку и анализировать работу комплексов сооружений в нестационарных условиях. Для процессов гидродинамики решение численных задач и их алгоритмов на базе дифференциальных уравнений стало более доступным. Подход к моделированию заключается в математическом описании законов природы и использовании уравнений массового баланса для каждого компонента и системы в целом. Появление стандартного математического ПО существенно сократило время анализа систем водоочистки и гидротехники, табл. 1.

Вычислительная гидродинамика (CFD анализ) 

Метод CFD является средством математического моделирования гидродинамики потоков, позволяющим путем численного решения основных уравнений гидродинамики для конкретного сооружения определить структуру потока (поля скоростей и давлений), включая двухфазные системы с подачей воздуха. CFD применяется, в первую очередь, в случаях, когда применение традиционных методов, основанных на рекомендациях по проектированию сооружений и расстановке оборудования, не может полностью гарантировать оптимальный результат проектирования. 

Процесс анализа механики жидкостей (и газов) выполняется численным методом с алгоритмами решений на базе уравнений Навье-Стокса, неразрывности струи, учета сопротивлений системы, уравнений Эйлера. Результатом численного решения является поле скоростей и давлений движущейся жидкости.

Течение вязкой несжимаемой жидкости в рамках механики сплошной среды описывается системой уравнений неразрывности среды (струи) Навье-Стокса, (1).

Использовалось для решения задач: разработки рыбозащитных сооружений на основе потокообразующих устройств ГЭС и ГАЭС [ 3 ], рис. 1; перемешивания в аэротенках [ 4 ], рис. 2.

Рис. 1. a) Численный расчет полей течения систем рыбозащитных устройств вблизи водоприемных окон ГЭС, фронтальный вид модели вихря, формируемого струегенератором на основе распределенных конических сопел, б) численное решение рыбоотвода (двумерная модель) в комфортную зону обитания, формируемого потокообразователем (на основе виртуально установленных в последовательном порядке погружных мешалок)

Проектирование, компьютерный анализ гидродинамических систем и подбор реального оборудования рассматривается как единый и неразрывный комплекс мероприятий. 

Очитка природных вод 

В соответствии с табл. 1, ПО обеспечивает расчеты процессов:

Коагуляции и флоккуляции, химического формирования флоккул и регулирование pH,

Аэрации (сооружения различны),

Отстаивания (осветлители со взвешенным слоем, флотаторы, отстойники, тонколойные отстойники),

Фильтрации (однослойной, двухслойной, скоростной, мембранной, иногда биофильтрации),

Адсорбции гранулированным углем,

Иногда озонирования, как деструктора органических загрязнений,

Умягчения,

Дезинфекции (хлор, озон),

Обработки осадков.

Программные комплексы WatPro и Stimela представлены моделями не только для стационарных условий, но и для нестационарных, динамических

Нашей практической использования данное ПО не было охвачено.

 

Очитка сточных вод

Для решения задач проектирования и эксплуатации. Представляется краткая характеристика процессов и моделей с активным илом ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3, табл. 2, а также рекомендации по формированию исходных данных, настройке и калибровке имитационных моделей, на примере программного комплекса GPS-X, рис. 3.

Предложена методика, включающая комплекс мероприятий: определение фракционирования ХПК с использованием анализатора OxiTop (WTW, Германия), оценка неравномерности поступления исходных масс загрязнений по основным показателям, респирометрических исследований, статистическая обработка данных, полученных на объекте. Приводятся опытные данные по распределению фракций ХПК для Российских условий, а также их сравнение с некоторыми станами мира. Представляются результаты работы новой версии GPS-X 6.3 со встроенными модулями оптимизации и анализа. 

В области автоматизации комплексы используются для идентификации уставок программируемых логических контроллеров. Представлен пример математического моделирования с целью оптимизации технологических процессов очистки сточных вод от биогенных элементов.

Рис. 3. Комплексная схема очистки сточных вод, включающая стадии: механической, биологической (с удалением биогенных элементов: азот, фосфор) очистки, доочист- ки, обработки осадков. Положения контроллеров настроены на оптимальные режимы. Графически представлен результат обработки модели: технологические параметры и качество очистки на различных этапах.

В сооружениях различных гидродинамических параметров, включая обработку осадка, реализуются кинетические процессы: физические (отстаивание, аэрация, флотация, фильтрация, процеживание, уплотнение, термическая сушка, сжигание и т.д.), химические (коагуляция, дезинфекция, реагентная очистка т.д.) и биологические (аэробные, анаэробные, аноксидные, сбраживания, стабилизации). 

Имитация отдельно выделенного сооружения, без учета его связей с полным комплексом, может привести к тому, что технологический процесс в целом будет протекать в искаженном виде, не соответствующем практике объекта в целом. Математическое описание каждого процесса задается системой алгебраических (линейных и нелинейных) и/или дифференциальных уравнений, отражающих взаимное влияние различных параметров. Сложные процессы ОСВ и их взаимные связи обычно представляются разработчиками в виде компактных матриц.