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生物膜法污水处理技术凭借着微生物种类丰富对污水水质适应能力强、形成的污泥沉降性好、运行设施易于管理和处理成本低廉等优点，一直受到国内外众多学者的关注。目前生物反应器内水力条件对生物膜生长传质影响相关研究，由于反应器中流态多为紊流，研究结果多是基于紊流的时均参数作用，比如流体的平均流速、雷诺数等对生物膜的影响，而对于紊流独特的随机无序性——脉动作用则鲜有研究。
为针对性研究紊流脉动产生的剪切力与流动扰动对反应器内传质和形成的生物膜生长、传质特性的影响，本文采用自主设计的振动格栅生物膜反应装置，可通过改变格栅的振动频率，得到不同强度的近似各向同性湍流以研究紊流脉动作用。并采用CFD软件分别建立气-液两相流振动格栅紊流仿真模型及生物膜渗流模型，结合试验数据验证后，进一步模拟不同工况下的动态流场，研究了紊流脉动对振动格栅反应器传质与生物膜内部传质的影响，主要研究成果如下：
①基于计算流体力学和动网格技术，构建了振动格栅反应器气-液两相流仿真模型。并结合自设计的试验装置，测定流场水力参数，选择代表性工况对数值模拟结果进行了验证以保证后续模拟的准确性。
②对振动格栅反应器流场进行模拟，结果表明生成的格栅紊流为近似各向同性紊流。同一运行工况下，反应器中均方根流速在格栅附近处波动较大，而在格栅下方较远处稳定。在一段时间内，研究区域各点的平均雷诺应力趋于0。紊流积分尺度分布是随着与格栅距离的缩小而呈线性减小，在格栅附近达到最小值。当格栅振动幅度一定时，研究区域的均方根流速随着格栅振动频率加大而线性增加。
③结合实验数据与反应器气-液传质相关模拟参数，分析紊流脉动的作用。紊流脉动能够延长氧气在水体停留时间、提高了氧传质效率。增大紊流脉动可有效提高反应器内的气含率和氧转移系数，促进气液两相进行高效传质，为微生物提供良好生存环境。紊流脉动虽能加强微生物营养成分的传质、促进生物膜生长，但雷诺应力对微生物有剪切破坏作用，会使生物膜变薄加密。综合对比，本反应器中紊流强度q=3.4~4.8cm/s时，气液混合良好、污染物去除效率较高。
④建立了二维生物膜多孔介质渗流模型，以紊流强度q=1.46cm/s、2.11cm/s、2.79cm/s、3.33cm/s和3.90cm/s为边界条件，模拟生物膜表面液相及生物膜内部的传质过程。模拟出的流速云图与污染物浓度云图显示紊流强度的变化对流速的影响呈边界效应递减现象。当紊流强度增大时，生物膜表层内流速分布、污染物浓度梯度分布与膜厚度近似线性关系，说明表层厚度0.6mm内对流传质起主导作用。而各工况下生物膜底层0.15mm内流速均小于0.1cm/s，流速梯度仅为表层流速梯度的20%，说明生物膜底层以扩散传质为主，污染浓度为主要推动力。
为针对性研究紊流脉动产生的剪切力与流动扰动对反应器内传质和形成的生物膜生长、传质特性的影响，本文采用自主设计的振动格栅生物膜反应装置，可通过改变格栅的振动频率，得到不同强度的近似各向同性湍流以研究紊流脉动作用。并采用CFD软件分别建立气-液两相流振动格栅紊流仿真模型及生物膜渗流模型，结合试验数据验证后，进一步模拟不同工况下的动态流场，研究了紊流脉动对振动格栅反应器传质与生物膜内部传质的影响，主要研究成果如下：
①基于计算流体力学和动网格技术，构建了振动格栅反应器气-液两相流仿真模型。并结合自设计的试验装置，测定流场水力参数，选择代表性工况对数值模拟结果进行了验证以保证后续模拟的准确性。
②对振动格栅反应器流场进行模拟，结果表明生成的格栅紊流为近似各向同性紊流。同一运行工况下，反应器中均方根流速在格栅附近处波动较大，而在格栅下方较远处稳定。在一段时间内，研究区域各点的平均雷诺应力趋于0。紊流积分尺度分布是随着与格栅距离的缩小而呈线性减小，在格栅附近达到最小值。当格栅振动幅度一定时，研究区域的均方根流速随着格栅振动频率加大而线性增加。
③结合实验数据与反应器气-液传质相关模拟参数，分析紊流脉动的作用。紊流脉动能够延长氧气在水体停留时间、提高了氧传质效率。增大紊流脉动可有效提高反应器内的气含率和氧转移系数，促进气液两相进行高效传质，为微生物提供良好生存环境。紊流脉动虽能加强微生物营养成分的传质、促进生物膜生长，但雷诺应力对微生物有剪切破坏作用，会使生物膜变薄加密。综合对比，本反应器中紊流强度q=3.4~4.8cm/s时，气液混合良好、污染物去除效率较高。
④建立了二维生物膜多孔介质渗流模型，以紊流强度q=1.46cm/s、2.11cm/s、2.79cm/s、3.33cm/s和3.90cm/s为边界条件，模拟生物膜表面液相及生物膜内部的传质过程。模拟出的流速云图与污染物浓度云图显示紊流强度的变化对流速的影响呈边界效应递减现象。当紊流强度增大时，生物膜表层内流速分布、污染物浓度梯度分布与膜厚度近似线性关系，说明表层厚度0.6mm内对流传质起主导作用。而各工况下生物膜底层0.15mm内流速均小于0.1cm/s，流速梯度仅为表层流速梯度的20%，说明生物膜底层以扩散传质为主，污染浓度为主要推动力。