本报内部消息供气式低压射流曝气器结构优化数值模拟研究 张安龙;谢飞;罗清;张佳晔;王先宝;赵呈馨;黄博琳
【摘 要】In this paper, the low-pressure air-forced jet aerator was selected as research object, its threedimensional model was established by using CFD software, and the influence of structure parameters of aerator, including the primary nozzle diameter, the secondary nozzle diameter, the mixing chamber aspect ratio, on turbulent mixing effect in mixing chamber was simulated by Fluent simulation software.The results of orthogonal test showed that the order of factors affecting the mixing effect of gas-liquid two-phase turbulence was as follows:the primary nozzle diameter>the mixing chamber aspect ratio>the secondary nozzle diameter.The optimal structural parameter was the primary nozzle diameter of 14 mm, the secondary nozzle diameter of 46 mm and the mixing chamber aspect ratio of 4.After the structure optimization, the gas-liquid two-phase distribution in the mixing chamber was more uniform and the mixing effect was better.%以供气式低压射流曝气器为研究对象, 运用流体力学分析 (CFD) 软件对其建立三维模型, 用Flue
nt软件模拟分析其结构参数 (一级喷嘴直径、二级喷嘴直径、混合室长径比) 对混合室内湍流混合效果的影响.正交试验结果表明, 对两相湍流混合效果的影响因素为:一级喷嘴直径>混合室长径比>二级喷嘴直径, 最佳湍流混合效果的结构参数是一级喷嘴直径14mm、二级喷嘴直径46mm、混合室长径比4, 结构优化后, 混合室内气液两相的分布更均匀, 混合效果更优. 【期刊名称】《环境污染与防治》
【年(卷),期】2019(041)002
【总页数】5页(P134-138)
【关键词】Fluent;正交试验;气液两相流动;湍流动能
【作 者】张安龙;谢飞;罗清;张佳晔;王先宝;赵呈馨;黄博琳
给斯大林的礼物
【作者单位】陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021;陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021;陕西科技大学轻工科学与工程学院,轻化工程国家级实验教
学示范中心,陕西 西安 710021;陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021;陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021;陕西科技大学轻工科学与工程学院,轻化工程国家级实验教学示范中心,陕西 西安 710021;陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021
【正文语种】中 文
曝气是保证污水好氧池中活性污泥生化作用的重要手段，相对于其他曝气装置容易堵塞，使用寿命短等问题，射流曝气器几乎无堵塞和损坏现象，并且由于射流曝气兼有充氧和推流作用，动力效率比转刷类曝气器高，维修比微孔曝气简单，因此射流曝气器成为当今污水生化处理工艺的关键组成[1-4]。
射流曝气器从供气方式上可以分为供气式(强制供气)和自吸式(负压)2种[5]，相比自吸式射流曝气，供气式低压射流曝气器通过鼓风系统向射流器供气，可灵活调整供气系统气水比，利用气水剧烈混合形成的湍流状态切割气泡，有效控制湍流的规模和尺寸，可减少气泡的尺度到微米级，大大提高气液的接触面积。同时气水混合剧烈湍流流态可减少气水接触面液膜厚度，提高氧传质速率，强化多相体系的传质效果。
为了进一步探究供气式低压射流曝气器气液两相湍流混合效果，运用流体力学分析(CFD)软件UG NX建立供气式低压射流曝气器的三维模型，探究供气式低压射流曝气器空间结构对湍流混合效果的影响，提出相应的结构优化方案，对供气式低压射流曝气器的工程应用和设计优化具有一定理论指导意义。
1 三维模型上海杨丽玲
供气式低压射流曝气器的几何结构如图1所示。用UG NX软件构建供气式低压射流曝气器几何模型，其中初始结构参数为：一级喷嘴直径24 mm，二级喷嘴直径48 mm，混合室长(一级喷嘴至二级喷嘴的距离)为228 mm，混合室直径(以混合室内的最大直径计)为76 mm，混合室长径比为3。采用ANSYS ICEM CFD中网格生成方法，对射流曝气器几何模型进行网格划分，初始结构下生成的总网格为190 949个，总结点为33 329个，供气式低压射流曝气器网格划分如图2所示。
1—进水口；2—一级喷嘴；3—混合室；4—二级喷嘴；5—进气口图1 供气式低压射流曝气器Fig.1 Schematic diagram of low-pressure air-forced jet aerator
图2 供气式低压射流曝气器网格划分Fig.2 Grid division diagram of low-pressure air-forced jet aerator
2 数学模型
通过Fluent软件对供气式低压射流曝气器内的两相流场进行建模分析，Fluent软件共提供7种黏性模型[6]，其中k-ε双方程模型是目前黏性模拟使用最广泛的模型，主要用于湍流计算，该模型又分为标准k-ε模型，RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型3种。综合考虑，选取标准k-ε模型来构建边界条件[7-9]。边界条件设置如下：工作流体进水口速度1.5 m/s，对应的工作流体流量24.484 m3/h，进气口进气流速10 m/s，对应的工作气体流量为45.216 m3/h，曝气器出口处的压力为60 000 Pa[10-11]。两相流场的解析采用半隐式压力耦合方程组(SIMPLE)。
3 正交试验结果与分析
根据湍流条件下气泡破碎的临界尺寸理论，选取混合室平均湍流动能作为正交试验指标[12-13]，选取一级喷嘴、二级喷嘴、混合室长径比(调节混合室长度，混合室直径不变)3个影响因素设计3因素3水平正交试验，正交试验因素水平见表1所示，试验结果见表2。
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表1 正交试验因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test水平一级喷嘴直径(A)/mm二级喷嘴直径(B)/mm混合室长径比(C)122524228466334408
表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal test序号ABC湍流动能/(J·kg-1)11316.556212211.12231138.87742322.43252232.30962112.02573330.69583210.97993120.741K18.8523.2283.187K22.2564.8034.765K30.8053.8813.960R8.0471.5751.578
根据正交试验结果和极差分析，可知影响供气式低压射流曝气器湍流混合效果的因素表现为一级喷嘴直径>混合室长径比>二级喷嘴直径。因此按此顺序分别确定各单个因素对供气式低压射流曝气器湍流混合效果的影响趋势。tnc
4 单因素试验结果及分析
4.1 一级喷嘴直径对湍流混合效果的影响
调节一级喷嘴直径分别为12、14、16、18、20、22、24、26 mm，二级喷嘴直径设置为46 mm，长径比为6，一级喷嘴直径对混合室内湍流动能的影响见图3。
图3 一级喷嘴直径对混合室内平均湍流动能的影响Fig.3 Effect of primary nozzle diameter on average turbulent energy in mixing chamber
从图3可以看出，一级喷嘴直径从12 mm增加到14 mm时，湍流动能增加到最高点。这是因为在工作压力不变的条件下，一级喷嘴直径变大，水流量增加，使得气、液两相接触面积增大，有利于氧向水中转移；而且流量的增加使得曝气池内紊动混合作用随之加强。但当一级喷嘴直径大于14 mm时，湍流动能随着一级喷嘴直径的增加而减少，原因是当水流量增加到一个极限后，再次增加水流量会使得液膜阻力过大，气体穿过气液界面进入液体阻力增强。由此可知，一级喷嘴直径为14 mm时，供气式低压射流曝气器湍流强度最大。
4.2 混合室长径比对湍流混合效果的影响
设置一级喷嘴直径为14 mm，二级喷嘴直径为46 mm，调节混合室长径比分别为3、4、5、6、7、8，混合室长径比对室内湍流动能的影响见图4。
图4 混合室长径比对混合室内平均湍流动能的影响Fig.4 Effect of the length and diameter ratio of mixing chamber on average turbulent energy
从图4可以看出，在长径比从3增加到4时，湍流动能随之增加。这是因为长径比越小，混合室长度越短，此时混合室内的混合还处于射流穿透状态，射流的起始段尚未结束就从二
级喷嘴喷出，达不到射流破碎长度的要求，且出口处气液两相混合效果不均匀，使得气液两相混合流进入曝气池时，池内液体紊动混合减弱，影响了充氧性能。随着混合室内长径比的增加，混合室内两相流混合更加均匀，液体紊动混合增强，不但射流的卷吸、掺混作用得到充分的发挥，空气也被打碎成细微气泡，使气液两相得到进一步压缩，溶气过程进行得更加充分。
然而，当混合室长径比从4增加到8时，湍流动能随之减小，这是因为随着混合室长径比的增加，虽然仍然发挥充分的射流卷吸、掺混作用，但必须有一部分能量来克服由于混合室长径比增加而增加的摩擦阻力，因此，摩擦损失也逐渐增加。由此可知，混合室长径比为4时，供气式低压射流曝气器湍流强度最大。
4.3 二级喷嘴直径对湍流混合效果的影响
设置一级喷嘴直径为14 mm，混合室长径比为4，调节二级喷嘴直径分别为38、40、42、44、46、48、50 mm，二级喷嘴直径对混合室内湍流动能的影响见图5。
图5 二级喷嘴直径对混合室内平均湍流动能的影响Fig.5 Effect of secondary nozzle diameter on average turbulent energy in mixing chamber
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从图5可以看出，二级喷嘴直径对于混合室湍流混合效果的影响不大，这是因为二级喷嘴接近曝气器出口，气-液混合在混合室内已经完成，因此二级喷嘴直径变化对于气液两相在混合室内湍流强度和湍流耗散率的影响非常小。总体而言，二级喷嘴直径为46 mm时，供气式低压射流曝气器湍流强度最大。
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