处理厂设计有多种形状和尺寸 - 甚至尺寸。确定最佳选择来自理解并可能组合可用选项。

设计新的和修改现有的水处理厂（WTP）涉及选择，确定尺寸和整合一系列液压过程以实现目标水质。初步设计数据通常包括流入物流的目标平均特征（流速/流量和主要成分的浓度）以及流出物的目标质量要求。流入物流的特征可以直接测量，也可以根据工程判断和经验估算。有时会指定所需的处理过程; 有时，治疗方案的选择包括在设计范围内。无论哪种方式，通常基于水力模型评估处理过程性能。

可以使用数字建模，比例物理建模或两种技术的组合来建模任何水处理系统的水力性能或各个系统组件的性能。数值建模工具包括一维，二维和三维方法，可以预测瞬态以及稳态水力学，热力学和反应化学。与任何数值方法一样，有近似和假设，必须明智地选择以避免错误的误导结果。此外，存在某些类型的流动问题和处理过程，其中当前数值模型的数学基础不能充分地捕获所需的流动物理学，并且必须使用基于实验室的缩放物理建模来获得可靠的解决方案。缩放的物理模型不受数学近似和计算机资源限制的妨碍; 然而，在物理模型中同时缩放所有过程变量是不可能的，并且必须正确考虑尺度效应，以便对得到的测试数据有信心。在评估系统组件的性能时，使用数字和物理建模方法的组合来预测原型性能并推进系统设计并不罕见。

图1.泵送过程的比例物理建模

数字建模

数字建模技术在不断发展，解决复杂流程所需的计算资源也在不断发展。五年前难以处理的模拟在今天很常见。复杂的流动现象以及化学过程和生物过程可以进行详细建模，为设计人员提供了一个强大的工具来推进整个系统的设计。多种商用一维，二维和三维建模工具可用于水处理厂的水力设计。每类工具都有优势和局限，但在评估整体系统性能，预测单个处理过程性能以及告知过程变化对整体系统性能的影响方面可以发挥重要作用。

一维模型

用于水处理系统和系统工艺设计的一维（1D）数值模型通常将链接节点模型（计算每个节点处的压力以及每个链路中的速度，流量和水头损失）与模拟处理过程组件物理和化学的经验模型耦合。在每个节点。通过将处理过程的理论性能建立到模型中并将其影响强加于整个系统来完成过程组件的建模。过程变量取决于总流量变量，反之亦然，从而可以估计整个系统的动态。最近，这些模型已经结合了完全动态的预测能力，并且可以模拟各个过程或边界条件的变化对整个系统性能的影响。模拟执行时间大约为几小时，可以快速评估多个更改。通过适当的校准，这些模型可用于估算总体系统性能，特别是在系统启动和运行时，实际数据可以反馈到模型中以提高其准确性。目前的趋势是将这种类型的建模直接集成到建筑信息模型（BIM）应用程序中。然而，1D模型对于总体系统性能是有限的，并且其预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能的影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。并且可以快速评估多个变化。通过适当的校准，这些模型可用于估算总体系统性能，特别是在系统启动和运行时，实际数据可以反馈到模型中以提高其准确性。目前的趋势是将这种类型的建模直接集成到建筑信息模型（BIM）应用程序中。然而，1D模型对于总体系统性能是有限的，并且其预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能的影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。并且可以快速评估多个变化。通过适当的校准，这些模型可用于估算总体系统性能，特别是在系统启动和运行时，实际数据可以反馈到模型中以提高其准确性。目前的趋势是将这种类型的建模直接集成到建筑信息模型（BIM）应用程序中。然而，1D模型对于总体系统性能是有限的，并且其预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能的影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。特别是当系统启动并运行时，实际数据可以反馈到模型中以提高其准确性。目前的趋势是将这种类型的建模直接集成到建筑信息模型（BIM）应用程序中。然而，1D模型对于总体系统性能是有限的，并且其预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能的影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。特别是当系统启动并运行时，实际数据可以反馈到模型中以提高其准确性。目前的趋势是将这种类型的建模直接集成到建筑信息模型（BIM）应用程序中。然而，1D模型对于总体系统性能是有限的，并且其预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能的影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。总系统性能和预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。总系统性能和预测流量分布，颗粒分布和局部流体动力学对系统性能影响的能力有限。1D模型在预测局部流体动力学对单个过程部件性能的影响方面的能力也受到限制。

二维模型

二维（2D）模型开始将流的物理性质集成到系统性能预测以及各个系统组件中。通常，这些模型允许模拟系统和系统组件内的流动的横向变化，同时计算深度上的因变量的平均值。当试图预测系统部件之间的流动分流以及流入箱和排放管道内的横向颗粒分布时，这变得尤为重要。只要表面粗糙度特征已知，开放通道和导管中的水表面轮廓可用2D模型预测。使用2D模型，系统组件的更多液压系统可以包含在仿真过程中，从而更准确地表示整体系统性能。通过增加尺寸，2D模型解决方案运行时间通常比与1D模型相关的运行时间长。此外，2D模型不能捕获垂直方向上的流量和其他因变量的变化，因此限制了它们更精确地模拟许多系统处理部件的液压性能的能力。建模人员开始将1D和2D建模方法结合起来，以提供比单独一维模型所能提供的更好的系统可预测性。因此，它们能够更准确地模拟许多系统处理部件的液压性能。建模人员开始将1D和2D建模方法结合起来，以提供比单独一维模型所能提供的更好的系统可预测性。因此，它们能够更准确地模拟许多系统处理部件的液压性能。建模人员开始将1D和2D建模方法结合起来，以提供比单独一维模型所能提供的更好的系统可预测性。

图2.通过分叉通道的流动的2D数值模拟

三维计算流体动力学

三维（3D）计算流体动力学（CFD）模型是最复杂和预测的数值水力模型，可用于辅助设计过程并结合流程的全部三维性。CFD模型可用于预测大多数工艺流程系统的性能，包括用于模拟多相流（气体/水，水/颗粒和通气），化学物质传输，反应动力学和传质的物理学。流动湍流和能量耗散的建模包含在这些模型中，有助于正确预测复杂的水力，化学和热混合过程。CFD模型通常用于评估各个过程组件（沉降池，澄清池，过滤器等）的性能，而不用于评估整体系统性能。CFD模型通常计算量很大，并且根据所建模型过程的复杂程度，可能需要几个小时到几天或几周才能完成模拟。凭借其所有复杂性，CFD模型确实有其局限性。特别是，具有空气夹带潜力的不稳定涡流（例如与泵进气液压相关的那些）和流通过程系统，其中可浮动物的命运是关注的，这对CFD模型提出了挑战。此外，模拟长时间发生的流量事件（即，在整个暴雨水文过程中模拟处理盆的填充）并包括水面高度的快速变化（多个控制堰上的流量）可以是对使用CFD的模型提出挑战。虽然模拟复杂流程的能力很强，但CFD建模需要经验丰富的工程师设置，运行和解释模拟结果。数值模型总能产生模拟结果; 需要有经验的建模人员确定结果对于所调查的系统是否物理合理且准确。

图3.通过初级沉淀池的流动的3D CFD模拟

物理尺度建模

在土木工程系统上进行了实验室规模的物理建模已有100多年的历史，并且很好地理解了与实施这种建模方法相关的尺度规律。物理建模通常在设计过程中实施，以研究无法使用CFD精确模拟的关键系统组件。特别是在无法准确模拟性能的一个领域是泵入口结构。CFD无法准确预测可能在进气口产生的涡流结构的间歇性和强度，从而导致泵的性能下降。物理建模也经常用于研究复杂的流动分裂结构和浮动物的命运。通常，在所有可用的建模选项中，物理建模提供了原型性能的最准确表示。然而，正如所料，与进行物理建模活动相关的成本通常高于计算建模，并且设计，构建和测试物理模型所需的时间通常大于数字模型。

图4.通过化学反应室的流动的3D CFD模拟

混合建模

混合建模有利地结合了上述方法，以提供用于水处理系统工厂液压系统的可靠设计的最佳方法。通常，物理和/或CFD建模用于改进过程组件的设计及其对整个系统的影响。在某些情况下，如果组件是液压耦合的，并且模型不是过于繁琐，CFD模型可能包括多个组件及其液压连接。可以在单个CFD模拟中建模的过程组件的数量取决于到达解决方案所需的计算资源以及获得结果的预计时间。然后，在CFD /物理建模工作期间收集的测试和/或模拟数据被馈送到1D和2D系统模型中，以更准确地预测整体系统性能。

没有一种建模工具可用于全面预测水处理厂设计的整体水动力性能。在设计过程中实施选择正确的水力建模工具集对于最大限度地降低项目风险和确保工厂按设计运行至关重要。应该注意的是，许多商业工具可用于进行1D，2D和3D CFD建模，并且存在几个专门用于缩放物理水力建模的公司。正确的建模工具套件与经验丰富的建模师（或建模团队）相结合，有助于成功实现水处理厂的水力设计过程。