6农机使用与维修2021年第2期
基于Fluent的射流曝气头关键结构参数仿真分析李东方I，黄增阳2，许中琛2，吴腾飞2，祝惠」，姜文雍1，陈恩亮I (1.衢州职业技术学院机电工程学院，浙江衢州324000；2，衢州市质量技术监督检测中心，浙江
衢州 324000)
摘要：基于Fluent软件，建立了曝气头射流求解模型，分析了流体内部分布情况。在入口流量12入口气体压力0.1MPa以及出口背压为500Pa的工艺参数条件下，分别对不同出口扩散管收缩角、液体进口直径及喉管长度条件下射流流体分布情况进行研究。分析了曝气头中心轴向位置上的流体运动速度和压力分布规律。分析结果可为实际工程应用中的曝气头相关优化工作提供数据支撑。 关键词：曝气头；仿真分析；机械结构高效自吸泵
中图分类号:TP391.9；0359+.1文献标识码:A doi：10.14031/jki.njwx.2021.02.003 Simulation Analysis of Key Structure Parameters of Jet Aerator Based on Fluent Li Dongfang1,Huang Zengyang2,Xu Zhongchen2 ,Wu Tengfei2,Zhu Huiyi1,Jiang Wenyong1,Chen Enliang1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Quzhou College of Technology,Quzhou324000,China；2.Quzhou
Center o£Quality&Technology Supervision and Test,Quzhou324000,China)
Abstract:Based on the software Fluent,the jet flow model of aerator was established,and the internal distribution o£the fluid was analyzed.Under the conditions of inlet flow rate12m3*h_1,inlet gas pressure0.1MPa and outlet back pressure500Pa,the distribution o£jet fluid in different exit diffuser angle,liquid inlet diameter and throat length were studied.The flow velocity and pressure distribution in the axial position of the aerator were analyzed.The analysis results can provide data support for the optimization of aerator in practical engineering application.
Key words:aerator；simulation analysis；mechanical structure
正弦波发生器o引言
曝气装置是使空气同水能够强烈接触发生气液两相交换传递的一种装备。能把有机物废水中挥发性物质通过溶氧带出到自然空气中，这就是曝气所要达到的目的。简而言之，曝气就是起到促进气液相之间物质交换作用。利用曝气方式，能把氧在气液相间进行传递或交换，实现氧从气相到液相进行传质。
四川大学的赵梁⑷等，认为发生器中影响流场分布的是机械结构和流动工艺参数。分析了气泡的运动和流体旋转过程。研究了装置的空化机理，为机械结构设计提供了可靠的方法。浙江大学的杨洋0，把曝气工程和实际的处理工艺相结合，采用CFD(Computered Fluid Dynamic)研究方法对曝气过程进行了研究。探究了两相流体模型的仿真结果。三峡大学的陈从平⑶等，分析了曝气装置的机械结构对性能的作用情况。对不同机械结构条件下的流体分布情况进行了仿真研究。为结
基金项目：浙江省衢州市科技计划指导性项目(2020013)；浙江省衢州市科技局计划项目(2017G13)
作者简介：李东方(1986-)，男，汉族，河南新蔡人，硕士，讲师，研究方向：机械优化设计、工程材料性能研究。构的设计优化提供了一些参考数据。综上所述，为了达到更好的空化效果，有必要对曝气头结构设计所涉及到的流体动力学(Fluid Dynamic)等相关理论进行进一步地分析和研究。
1仿真分析模型建立
一般的，曝气头⑷主要组成部分有喷嘴、进气管、混合气管及扩散管等。微气泡发生器曝气头结构简化示图如图1(a)所示,0~。5乙为主要尺寸,2a为扩散管收缩角。
1.1几何模型简化、流体域建立及网格划分
在实际计算过程中，对几何模型进行简化处理，可以减轻计算强度。根据分析模型的几何、初始条件
的对称性，简化成二分之一模型。利用inventor软件进行3D几何建模，并对几何模型进行简化，直接进行流体域3D建模，然后将几何3D模型以STP格式导出，再导入到Fluent中，在DM模块进行体切分处理，最终获得处理后的完整3D计算域模型。把上述生成流体域导入到Mesh模块，进行网格划分。根据仿真分析的计算残差对网格进行细化和调整，通过调整，最终模型单元数量在220万左右。网格划分后模型，如图1(b)所示。
2021年第2期
农机使 用 与 维修
自行葫芦7
1.2材料特性设置和边界条件设定、求解设置
曝气头的入口为液态水，顶部为空气进口。在
Material 界面设置两种材料常温下的物理特性⑶。
设置主相、第二相的特性。液体进口处采用velocity
-inlet 边界，大小由进口流量和结构尺寸确定。气
体进口处采用pressure - inlet 边界。液气混合出口 采用pressure - outlet 边界。湍流强度均设置为
,......4.........利厂”””””””””””””””””齐气体进口
(a)曝气头结构简化示图0. 05o 对几何对称面采用Symmetry 边界，其他为
wall 边界。数值模型采用3D 双精度、多相流为
V0F 、标准可视化k - s 湍流模型和标准壁面函数,
水气两相之间表面张力系数取为0. 073，同时考虑重 力影响，在Z 方向设置重力加速度为-9. 81 m • s 「2,美容按摩器
采用隐藏刚体力。初始化后，设求解步数初步为
10 000步。
(h)流体域二分之一三维网格
图1曝气头结构和流体域二分之一三维网格模型
2仿真结果分析
采用单因素法，对影响曝气头射流流体分布情
况进行分析。没有特殊说明情况下，所分析模型,
其机械结构参数分别是0为012.5 mm, D 2为 013.5 mm, D 3 为 013.5 mm, Z)4 为 040 mm, D s 为 044 mm,2a 为 10。，为 39. 5 mm, l 2 为 103. 7 mm,
l 3 为34. 5 mm, l 4 为 75 mm, l 5 为 66 mm, l 6 为 56. 8 mm ；其工艺参数分别取入口流量Q 为12 n? • h",
入口压力P q 为0.1 MPa 及出口背压卩心为500 Pa
(即出口为大气状态)。通过后处理，分别提取曝气
头中心轴向位置(X)上的流体运动速度和压力分布
数据，绘制成曲线图。
0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24
中心轴向位置X/m
(b)压力分布
图2不同2a 条件下中心轴向位置上的速度和压力分布
2.1不同出口扩散管收缩角2a 条件下分布情况
取2a 分别为8。、9。和10。的模型，对射流流体
分布情况进行分析。由图2可知，在水流和气流到
达喉管入口处之前，流体速度几乎一致，在轴向位 置约为0. 143 m 处，发生较明显变化，而且随着出口
扩散管收缩角度的增大而呈现急剧减小态势。压 力分布上，随着出口扩散管收缩角度的增大而呈现
增大且趋于平稳态势，约为0. 143 m 处出现最小值。 2. 2不同液体进口直径0条件下分布情况
取D l 分别为09 mm 、01O mm 和012. 5 mm 的模
型，对射流流体分布情况进行分析。由图3可知，当 水流到达气流入口位置附近前，流体速度在约为
0.041 m 处达到第一个峰值，随后急剧下降；而当到
达喉管入口约为0. 143 m 之前的0. 12 m 位置处时
,
8农机使用与维修2021年第2期
速度又急剧上升，并在约为0.143m处达到峰值，随后随着扩散管而发生速度扩散。压力分布上，不同液体进口直径下的分布趋势较为一致。呈现先降低，并在约为0.06m处到0.12m位置之间呈现稳定状态，随之，急剧降低，并在约为0.143m处呈现最低值，随之又呈现上升趋势，并在出口处压力趋于一致，因为出口压力存在背压。
5
4
3
2
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O
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-6网络雷达无线接收器
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-
1O
0.000.030.060.090.120.150.180.210.24大屏幕控制器
中心轴向位置X/m
(b)压力分布
e
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ta
7
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、w
锻
0.000.030.060.090.120.150.180.210.24
中心轴向位置X/m
(a)速度分布
图3不同必条件下中心轴向位置上的速度和压力分布
2.3不同喉管长度£分布情况
取/分别为19.5mm、34.5mm和49.5mm的模型，对射流流体分布情况进行分析。由图4可知，随着喉管长度的增大，在流体到达喉管入口之前的一段范围内，速度大小分布接近于一致，随后逐渐增大，
并分别在喉管入口处达到较大值，随之又呈现下降趋势。压力分布上，分布趋势较为一致，并呈现先下降到最低点、进而上升的趋势，但总体上，压力均小于相应入口压力。
中心轴向位置X/m
(b)压力分布
图4不同厶下中心轴向位置上的速度和压力分布
3结论
采用Fluent软件，建立得到了曝气头分析内部流场的三维有限元模型。采用单因素法，利用Fluent软件分析了不同机械结构尺寸下的模型，得到了对应结构尺寸下流体域的速度和压力分布情况。综合来看，在进行结构优化设计时，可选用初始结构参数为：入口直径0为012.5mm,2a为10°, 13为34.5mm。参考文献：
[1]赵梁，杜敏，莫政宇，等.文丘里式气泡发生器渐扩段
内单气泡输运过程研究[J].原子能科学技术,2019,
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[2]杨洋.基于CFD的人工曝气生态净化系统数值模拟与
分析[D].杭州：浙江大学,2018.
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数值模拟与关键结构参数分析[J].机械，2020,
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[4]田杰，李少波，冯景伟，等.基于CFD的射流曝气器关
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