水動力-水質(zhì)耦合模型綜合考慮了水體的流動特性和水質(zhì)變化規(guī)律。水動力模塊模擬水體的流速、流向、水位等水力要素隨時間的變化，水質(zhì)模塊則基于水質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化方程，考慮污染物的擴散、彌散、降解等過程，在給定的水動力條件下模擬水質(zhì)組分的分布和變化。水文-水動力-水質(zhì)耦合數(shù)學模型進一步結(jié)合水文循環(huán)過程，考慮降水、徑流、下滲等地表水與地下水的交換，更全面地模擬水體污染的擴散范圍。

在實際應用中，通過收集水體的水文、水動力以及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進行率定和驗證，然后利用模型對水體污染擴散進行模擬預測。例如，在河流污染事故中，可輸入污染源的位置、泄漏量等信息，模擬污染團在河流中的擴散范圍和濃度變化，為應急處置和污染防治提供決策依據(jù)。

圖1 某文獻采用水文-水動力-水質(zhì)耦合模型對水體污染進行模擬

CFD 方法應用于自來水廠水處理過程

CFD 技術(shù)可用于模擬曝氣池內(nèi)的水流流態(tài)、氧氣傳遞和混合過程。通過建立曝氣池的幾何模型，設(shè)置邊界條件和物理模型，如湍流模型、多相流模型等，模擬氣液兩相的流動和混合，優(yōu)化曝氣池的設(shè)計參數(shù)，如曝氣強度、曝氣方式、池體形狀等，提高曝氣效率和氧氣利用率，確保污水與活性污泥充分接觸反應，從而提高有機污染物的去除效果。

圖2 采用VirtualFlow模擬曝氣過程兩相流動

CFD 方法能夠模擬沉淀池中的水流速度、泥沙沉降等過程。分析沉淀池內(nèi)的速度分布、渦流區(qū)、死水區(qū)等情況，以及不同位置的泥沙沉降速率和濃度分布，為沉淀池的優(yōu)化設(shè)計和運行管理提供依據(jù)。例如，通過模擬確定合理的沉淀池尺寸、進水口和出水口位置、擋板設(shè)置等，提高沉淀池的沉淀效率和出水水質(zhì)。

圖3 采用VirtualFlow模擬二沉池三相流動

CFD 技術(shù)可以對活性污泥法中的反應過程進行模擬，研究活性污泥在曝氣池、沉淀池等不同單元中的流動、混合和反應情況。結(jié)合生物反應動力學模型，模擬活性污泥中微生物的生長、代謝和污染物的去除過程，深入理解活性污泥系統(tǒng)的作用機制，優(yōu)化工藝運行參數(shù)，提高污水處理效果和穩(wěn)定性。

在自來水消毒過程中，CFD 可用于模擬消毒劑與水的混合過程、消毒劑濃度分布以及消毒反應的動力學過程。通過模擬確定最佳的消毒劑投加位置、投加量和混合方式，使消毒劑在水中能夠快速均勻地擴散，達到良好的消毒效果，同時減少消毒副產(chǎn)物的生成。

圖5 采用VirtualFlow對臭氧消毒污水設(shè)備進行模擬

CFD 模擬可幫助優(yōu)化加藥系統(tǒng)的設(shè)計和操作，通過模擬藥劑在水中的擴散和混合過程，確定最佳的加藥點、加藥量和加藥方式，確保藥劑能夠均勻地與水體混合，提高藥劑的利用效率和水處理效果。

4. VirtualFlow助力水處理過程模擬仿真

積鼎科技的CFD產(chǎn)品VirtualFlow在水處理過程中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。它能夠精準模擬水處理各環(huán)節(jié)的流體行為，為曝氣池、沉淀池、活性污泥、消毒器等關(guān)鍵部位的設(shè)計與優(yōu)化提供科學依據(jù)。同時，其可視化操作平臺便于用戶直觀分析模擬結(jié)果，加速決策流程，為水處理廠的智慧化、高效化運行注入強勁動力。

水處理常用的 CFD 方法包括界面流模型、均相流模型、PBM模型、DPM模型等。

- 界面流模型包括Level-set模型及VOF模型，可用于蓄水池注水排水過程，獲得池內(nèi)的速度分布、渦流區(qū)、死水區(qū)等情況；

- 均相流模型可同時求解氣液兩相的連續(xù)相方程和湍流方程，適用于模擬曝氣池等氣液兩相流動問題；

- PBM 能夠描述顆粒（如活性污泥顆粒）的粒徑分布和破碎、聚并等動態(tài)過程，對活性污泥系統(tǒng)的模擬具有重要意義；

- DPM 則將顆粒視為離散相，追蹤其在連續(xù)相中的運動軌跡，可用于模擬沉淀池中泥沙顆粒的沉降過程等。

通過這些 CFD 方法的應用，能夠更深入地了解自來水廠水處理過程中的各種物理和化學現(xiàn)象，為優(yōu)化水處理工藝、提高水質(zhì)提供科學依據(jù)。VirtualFlow軟件內(nèi)置了多種適合水處理過程模擬的多相流模型，通過合理選擇和組合這些模型，可以準確描述水處理過程中的多相特性和流動行為。