随着城镇化的不断发展,城市规模和人口数量不断增长,面临着大量城市污水需要处理并达标排放的环境问题。作为污水二级处理的重要设施曝气池及二沉池,其运行的优劣影响着最终的污水处理效果,因此污水处理构筑物的研究对于提高污水处理能力、优化曝气方式、调整构筑物构型具有重要意义。实验方法由于存在受污泥不透明性的限制,无法有效观察及测量包括曝气池内气泡分布、污泥层厚度等物理现象。本文从数值模拟手段入手,采用包括欧拉多相流模型、PBM模型、DPM模型、VOF模型以及混合两相模型等数学模型,借助Fluent商用软件及OpenFOAM开源流体力学代码,针对实验室尺度的塔式曝气池及实际大小的二沉池内多相流体动力学行为进行模拟研究,考虑多种因素对水处理构筑物处理过程的影响,并进一步对曝气池内更加微观的气泡聚并行为进行机理研究,以期为水处理构筑物的设计优化提供借鉴和指导。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过植入非牛顿液相下气液间曳力公式,扩展了欧拉多相模型耦合群体平衡模型在非牛顿液相下气液体系的应用,首次应用于塔式曝气池非牛顿液相下的气液两相数值模拟研究;进一步通过耦合DPM模型考虑固相作用,对非牛顿液相下塔式曝气池气液固三相进行初步模拟研究。植入的数学模型在与实验验证的基础上,优于传统模型的计算结果。在对塔式曝气池内不同污泥浓度、不同入口位置、间歇曝气及三相流动的研究中,发现污泥浓度影响着塔式曝气池内的流变性质,进而改变气泡羽流形态由低浓度污泥时的规则摆动气泡羽流发展为高浓度污泥时的非摆动气泡羽流;入口位置对羽流形态及液相速度有着影响,曝气池气含率在入口靠近右侧壁面时最低;通过动态边界条件实现了间歇曝气方式,这种曝气方式导致了塔式曝气池内多个物理量的间歇变化,从而进一步影响整个曝气池内的平均气含率、液相速度等动力学信息;固相的引入会导致液相速度相应的降低,固液双向耦合不同于单相耦合计算结果,双向耦合下羽流形态呈现S形,但气含率没有明显变化。(2)进一步采用VOF模型针对气泡微观行为进行数值模拟,研究了三气泡及交错两气泡的聚并行为,并进一步采用虚拟流体方法替代CSF方法处理气液表面张力,弥补CSF方法的精度不足,对高表面张力下交错气泡的聚并行为进行研究。交错气泡的上升运动行为发现,两气泡聚并为一个气泡后,该一个气泡两侧形成2个大旋涡并随着偏移距离增大,左侧旋涡影响的范围也越大,两气泡的间距及偏移距离影响着气泡上升及聚并过程中的气泡形态,气泡间距一定时,下方气泡偏移距离越大,两个气泡顶部速度增幅越小;当表面张力增大时,上下气泡的运动速度增加,气泡形态更接近于椭圆形且不易于发生两气泡的聚并行为。三气泡的运动不同于两气泡,上下气泡之间的距离影响着气泡的上升运动,当距离过近为0.01m时,三气泡聚并为一个气泡,当距离过远为0.02m,三气泡独自上升,上方气泡直径越大对下方气泡的影响越显著,下方气泡越容易聚并为一个气泡。(3)基于OpenFOAM开源流体力学代码,通过植入与污泥浓度相关的切应力模型,实现了Herschele-Bulkley模型在二沉池内的流变性质的准确模拟;并提出一种混合指数沉降速度模拟,弥补了单一指数模型在污泥低浓度时有着较高沉降速度的缺陷;动态边界条件的植入首次实现了二沉池入口实时流量的动态模拟。采用混合两相模型结合上述的沉降及流变模型,对考虑回流因素的二沉池进行数值模拟,探讨流变性质、入口速度、入口污泥浓度以及实时入口流量等因素对二沉池内固液动力学行为的影响。发现流变性质的精确确定影响着二沉池内污泥浓度分布及污泥层厚度的计算结果;入口速度及入口污泥浓度增大时,二沉池内污泥浓度峰值增大,流场内多个旋涡的分布结构由两层变化为三层,且速度及湍动能峰值及分布区域也逐渐增大;实时入口流量的模拟显示逐渐增大的入口流量相比于定常入口流量会导致污泥浓度峰值增加明显。