基于Fluent的射流式增氧裝置的數(shù)值模擬與試驗研究

賈惠文,曹廣斌,蔣樹義,韓世成,陳中祥

(1中國水產(chǎn)科學(xué)院黑龍江水產(chǎn)研究所,黑龍江哈爾濱150070;2上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海201306)

基于Fluent的射流式增氧裝置的數(shù)值模擬與試驗研究

賈惠文1、2,曹廣斌1,蔣樹義1,韓世成1,陳中祥1

(1中國水產(chǎn)科學(xué)院黑龍江水產(chǎn)研究所,黑龍江哈爾濱150070;2上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海201306)

利用κ-ε雙方程湍流模型對自行設(shè)計的射流式增氧機內(nèi)部流場進行了模擬,得到了流場內(nèi)部各個參數(shù)的分布圖,揭示了混合管內(nèi)部的流動狀態(tài),為射流式增氧機的參數(shù)優(yōu)化和性能預(yù)測提供了可靠的手段。通過對射流器仿真數(shù)據(jù)的分析,得出混合管與噴嘴截面積比的最佳值為2.33,并通過增氧試驗驗證,證明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合。

射流增氧機;數(shù)值模擬;面積比

射流增氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的技術(shù)手段,它的優(yōu)點是兼有推流和增氧的雙重作用[1],并能夠?qū)ψ钊毖醯某氐姿w進行直接增氧,對提高養(yǎng)殖池底層水體的溶解氧有較好的效果[2]。相對于其它安置于水面的增氧機,射流式增氧機可以在水體的不同深度工作,也可以對冰封的水體增氧,它已被廣泛應(yīng)用于池塘養(yǎng)殖和工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中。

射流式增氧機的核心部件是射流器,它是一種兩相或多相混合設(shè)備。國外學(xué)者很早就對射流器的工作原理進行理論分析,1942年Keenan和Neumann建立了一維的能量、質(zhì)量和動量守恒方程來預(yù)測射流器的性能[3];Sherif建立了兩相流模型,通過引入含氣率來考慮兩相的相互作用[4];Bartosiewicz等分別采用幾種不同的湍流方程來分析空氣在射流器內(nèi)的流動情況[5]。為了提高射流器的性能,近年來研究人員對射流器進行了深入的研究[6-7],但由于射流器混合管內(nèi)的流動狀態(tài)較為復(fù)雜,目前的生產(chǎn)設(shè)計中不得不采用經(jīng)驗公式[8]。為優(yōu)選射流器的設(shè)計尺寸并找出各尺寸對性能的影響,國內(nèi)學(xué)者做了大量的射流器增氧機充氧試驗,該試驗對試驗場地和試驗設(shè)備有嚴(yán)格要求[9],其研究的時間長、投資高,試驗結(jié)果受環(huán)境因素影響較大。隨著計算機技術(shù)和計算流體動力學(xué)(CFD)的發(fā)展,越來越多的研究人員開始應(yīng)用CFD方法模擬流體在設(shè)備中的流動狀態(tài)。對流體的數(shù)值模擬不僅可以向設(shè)計者提供大量信息,而且費用低、研制周期短,同時還可直觀地觀察設(shè)備中流體的工作情況,為設(shè)計流體機械提供了便利。

Fluent軟件是近年來得到廣泛應(yīng)用的商用CFD軟件,它的功能強,適應(yīng)面廣,能夠計算流體流動和熱傳導(dǎo)模型、輻射模型、相變模型及多相流模型等,針對每一種物理問題的流動特點,用戶可以選擇適合的數(shù)值解法、差分格式等,以求在計算速度、穩(wěn)定性和精度方面達到用戶的要求。Fluent軟件可以與不同領(lǐng)域的軟件聯(lián)系起來,導(dǎo)入Auto CAD或者Pro/E等繪圖軟件的圖形,并采用統(tǒng)一的前后處理工具,使科研工作者能夠從繁復(fù)的編程等勞動中解放出來,集中精力關(guān)注物理問題本身的探索?；谶@些特點,Fluent軟件已被廣泛應(yīng)用于流體機械的數(shù)值模擬中[10-12]。

本研究中,作者在設(shè)計工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖射流增氧設(shè)備的過程中,利用流體力學(xué)仿真軟件Fluent對射流器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,通過比較不同設(shè)計尺寸射流器的仿真結(jié)果,來確定射流器增氧效果最好的設(shè)計尺寸;并對所模擬的幾組射流器進行水體增氧效果試驗,對仿真模擬設(shè)計尺寸進行檢驗,

結(jié)果證明所建模型能夠準(zhǔn)確地模擬出射流器內(nèi)部的流動狀態(tài),仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,從而建立了射流器設(shè)計的計算流體力學(xué)仿真模式。

1 射流器的結(jié)構(gòu)原理簡介

圖1 為射流器的基本結(jié)構(gòu)圖。由水泵供給的工作水流通過進水管流入射流器,并經(jīng)過噴嘴噴射出去,形成高速的水射流,在噴嘴的周圍形成負(fù)壓;進氣室的負(fù)壓將空氣從進氣口吸入,被水射流高速攜帶進入混合管。在混合管始端,水射流與被帶入的空氣流作相對運動,并合成為氣水兩相流,在混合管內(nèi)液體與氣體分子的沖擊碰撞使高速運動的射流將能量傳遞給氣體,空氣在混合管內(nèi)被加速和壓縮。氣液兩相流進入擴散管后,氣體已經(jīng)被剪切成微小氣泡分散在液體中,形成泡沫流,經(jīng)擴散管排出射流器。

圖1 射流器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the ejector

2 射流器的設(shè)計

按照索科洛夫[8]提出的經(jīng)典設(shè)計理論進行射流器的設(shè)計,設(shè)計步驟略,設(shè)計計算的各個重要參數(shù)見表1。

表1 射流器計算結(jié)果和尺寸列表Tab.1 The calculation and sizes of the ejector

在設(shè)計計算中,混合管與噴嘴的截面積比是一個重要的參數(shù),計算公式[8]為

其中:f1為噴嘴的截面積;f2為混合管的截面積; PP為噴嘴進口處的液體壓力;PH為引射氣體的壓力;Pc為氣、液混合后兩相流體的壓力。由此可見,混合管與噴嘴的截面積比直接影響氣、水混合后兩相流體的壓力,對混合效果影響較大[13]。為此,將混合管在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進一步改變尺寸,通過CFD仿真的方法測定哪種截面積比是最佳值,再通過試驗驗證仿真結(jié)果。初步取混合管直徑為23、25、27、29、31、34、36、40 mm,相對應(yīng)的截面積比為1.47、1.73、2.01、2.33、2.66、3.20、3.59、4.43,分別對以上8種不同尺寸的射流器進行仿真。

3 CFD仿真過程

利用Fluent軟件的仿真過程大致按照如下步驟進行:

選擇計算的數(shù)學(xué)模型→建立流場模型→網(wǎng)格劃分→設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)→利用Fluent軟件求解器求解計算→保存結(jié)果并進行后處理等。

3.1 數(shù)學(xué)模型

由于射流器內(nèi)部主要是紊動的氣液兩相流,所以采用基于歐拉兩相流下的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型進行計算,分別對氣相和液相建立封閉的數(shù)學(xué)模型。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程由Launder和Spalding提出,是從試驗現(xiàn)象中總結(jié)出的半經(jīng)驗公式,也是目前使用最廣泛、最有效的模型。將該模型用于計算大量的各種薄剪切層和回流效果較好,且不需要就不同情況修正模型參數(shù)。限制流(有壁面約束)中,雷諾剪切力最顯著,此模型對于限制流特別有效[14],已成為工程流場計算中的主要工具。

標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε雙方程模型是通過補充微分方程的方法來獲得紊流尺度L的,用來封閉雷諾方程的微分方程數(shù)達到兩個[15]。其表達式如下:

式中:t為時間;Ui、Uj分別為速度分量;xi、xj分別為坐標(biāo)分量;C1ε、C2ε均為經(jīng)驗常數(shù);σκ、σε分別表示與湍動能κ和耗散率ε對應(yīng)的普朗特常數(shù), ε=CDκ/l;渦粘系數(shù)vt=Cμκ2/ε。方程中5個可調(diào)常數(shù)取參考文獻[15]中的值,即Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σκ=1,σε=1.3。

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)射流器為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的特點,利用Fluent軟件中的前處理軟件Gambit作出其半截面形狀即可,以簡化計算。再利用Gambit將截面流場進行網(wǎng)格劃分,采用四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分的混合管直徑為23 mm的射流器流場區(qū)域如圖2所示。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid generation of the model

3.3 邊界條件和求解參數(shù)的設(shè)置

在Gambit軟件中為射流器的模型設(shè)置邊界條件,工作水流入口為速度邊界,取設(shè)計計算的速度值;空氣入口和混合物出流口均為壓力邊界;液相與氣相之間無滑移條件,壁面效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法,含氣率方程采用一階迎風(fēng)格式,速度壓力的耦合方式采用Phase Coupled Simple算法,利用分離求解器(segregated solver)進行穩(wěn)態(tài)計算,設(shè)定殘差監(jiān)視器,當(dāng)計算殘差小于10-3時認(rèn)為計算結(jié)果達到收斂。

4 CFD仿真結(jié)果

分別對8種不同截面積比的射流器進行CFD仿真,各個射流器流場的計算結(jié)果都達到規(guī)定的收斂條件,所用迭代步數(shù)從350步到650步不等,得到各個射流器的流場氣相分布見圖3。

圖3 8種混合管直徑的射流器氣相分布圖Fig.3 Contours of air volume fraction of eight mixing tube diameters

從圖3可以看出,噴嘴所噴射出的高速水流在收縮段保持自己原來的形狀,在收縮段和混合管的交界處產(chǎn)生激波。這是由于高速水流在交界處與引射的空氣流交匯并碰撞壁面引起的。隨著射流在混合管內(nèi)與空氣流混雜在一起,混合管內(nèi)部形成氣液兩相流。當(dāng)混合管的直徑為23 mm時,管內(nèi)的含氣率較低,說明進氣量很少,單位時間內(nèi)溶解在水中的氧氣也很少(在圖中呈現(xiàn)藍色);隨著混合管直徑的增大,空氣在混合管內(nèi)所占的比例不斷升高,混合管內(nèi)逐漸變成綠色或黃色,說明引射器所引射的空氣流量增大,含氣率較高;當(dāng)混合管直徑進一步增大到40 mm時,雖然混合管靠近右側(cè)壁面處的含氣率很高,呈現(xiàn)紅色,但水射流在混合管大部分長度內(nèi)卻保持自己原來的形狀,噴嘴中心線上射流的含氣率為0,說明水射流與空氣流分離,未與空氣有效混合,此種情況下射流器起不到增氧的作用。

通過氣相分布圖的對比可以排除混合管直徑為23 mm和40 mm兩種混合效果很差的尺寸,在Fluent軟件中查看剩余6種不同截面積比的射流器壓力分布圖,得到各個射流器混合管段的壓力分布曲線如圖4所示。

圖4 混合管的壁面壓力分布圖Fig.4 Distribution of wall surface pressure in a mixing tube

從圖4可見,在收縮段與混合管的交界處產(chǎn)生壓力跳躍,而后混合管內(nèi)的壓力變化趨于平緩?；旌瞎苤睆綇?5 mm開始,壁面壓力逐漸升高,直徑為29 mm的射流器最高,直徑超過29 mm時壁面壓力逐漸下降。根據(jù)氣體溶解于液體的亨利定律[16]C=P/K(式中:C為溶于溶劑內(nèi)的氣體摩爾濃度;P為氣體的分壓;K為氣體的亨利常數(shù)),在氣體溶解過程中,壓力越大,溶解度就越高。仿真結(jié)果表明,當(dāng)混合管直徑為29 mm,截面積比為2.33時,混合管壁面壓力最大。由此推斷,此時的氧氣溶解度最高,混合效果最好。

衡量混合管段氣液混合程度的另一個參數(shù)是湍動動能。從圖5可見,隨著混合管直徑的增加,湍動動能呈現(xiàn)先升后降的趨勢,湍流程度在29 mm時達到最大,而后逐漸降低,這一結(jié)果證明了仿真所得出的混合效果趨勢。

圖5 混合管的湍動動能分布圖Fig.5 Distribution of turbulence kinetic energy in a mixing tube

在射流增氧的過程中,氧氣與水體在射流混合管內(nèi)形成兩相流體,氧氣在水中以氣泡的形式運動,氣泡越小,單位體積氣體的溶解面積越大,溶解率就越高。根據(jù)湍流下氣泡破碎的臨界尺寸理論,若湍動動能大于表面張力,氣泡就會破碎,變成小氣泡。其氣泡破碎的臨界尺寸公式[15]表述如下:

式中:rc為氣泡破碎的臨界尺寸;σ為液體的表面張力;ρf為液體的密度;ρg為氣體的密度;vr為湍動能的速度。

式(3)表明,湍動速度和動能越大,混合管中的兩相流氣泡的尺寸就越小,氧氣溶解率就越高,混合效果越好。圖5的CFD仿真結(jié)果表明,當(dāng)噴嘴直徑為19 mm,混合管直徑為29 mm,二者截面積比為2.33時,湍動動能達到最大。由此可以推斷,此時其氧氣的溶解率最高,混合效果最好。

5 射流增氧驗證試驗

5.1 試驗設(shè)備與方法

射流增氧驗證試驗在一個長、寬、高分別為2.58、1.04、1.00 m的水箱中進行,射流器的混合管設(shè)計成可拆卸結(jié)構(gòu),用有機玻璃做成不同尺寸的6種混合管,分別對每個混合管做兩次試驗(圖6)。射流器的擴散管出口置于水箱平面,保證射流器的背壓為一個大氣壓力。潛水泵與射流器分別位于水箱的兩側(cè),使箱內(nèi)的水能夠不斷循環(huán);在水箱水體的中部布置帶有溫度補償功能的溶解氧傳感器,監(jiān)視水中的溶解氧變化情況,型號為漢密爾頓Oxysens120,DO飽和度的測量范圍為0～100.0%,測量精度為±0.2%,對應(yīng)輸出電流為4～20 mA。通過西門子公司的S7-200型可編程控制器(PLC)采集傳感器數(shù)據(jù),并通過通信電纜傳輸給上位機;上位機為商用計算機,安裝組態(tài)王監(jiān)控軟件,能夠自動記錄傳感器的輸出信號變化,并繪制變化曲線圖,信號采集間隔為1 s。

圖6 試驗設(shè)備布局示意圖Fig.6 Schematic layout of the equipments

溶解氧傳感器自帶有溫度補償功能,可忽略溫度變化對溶解度的影響,射流器的混合效果由試驗水體溶解氧上升的速度來衡量。試驗用水為曝氣沉淀后的自來水,水體容積為2.5 m3。試驗開始前使用消氧藥劑亞硫酸鈉對水體進行消氧,使用氯化鈷作為催化劑,加藥量參考文獻[9]。加藥后攪拌池水直到溶解氧傳感器的讀數(shù)顯示為0,此時開啟潛水泵,射流器開始工作,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄溶解氧飽和度的變化,當(dāng)水體溶解氧飽和度達到75%時關(guān)閉潛水泵,一次試驗結(jié)束。第二次試驗重復(fù)以上步驟,所有試驗結(jié)果取平均值。

5.2 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)可從組態(tài)王軟件導(dǎo)入Excel中進行分析,以溶解氧飽和度從0上升至75%所用的時間t (min)為指標(biāo),對不同直徑的6種混合管進行充氧試驗,得出不同的時間如圖7所示。

從圖7可見,隨著混合管直徑的不斷增加,增氧時間呈現(xiàn)先降后升的趨勢,說明射流器的混合效果先變好后變差。當(dāng)混合管直徑為29 mm時,所用的增氧時間最短。

根據(jù)試驗過程得到的數(shù)據(jù),依據(jù)SC/T6009-1999增氧機試驗計算方法,可由下列公式計算射流器的增氧能力:

式中:QS為增氧能力(kg/h);KLa(20)為標(biāo)準(zhǔn)條件下氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)(h-1);V為試驗水體體積(m3);CS(S)為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)條件下氧在水中的溶解度(mg/L3)。

由此得到增氧能力在不同混合管條件下的變化曲線(圖7)。從圖7可見,射流器增氧能力隨著混合管直徑變化為先升后降,當(dāng)直徑為29 mm時,其增氧能力值最大,射流器可達到最好增氧效果。

射流器增氧時間和增氧能力的試驗表明,直徑29 mm為混合管的最佳尺寸。與利用Fluent軟件進行CFD仿真數(shù)值計算的結(jié)果相一致。由此證明了數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好。

圖7 不同直徑混合管的增氧時間和增氧能力Fig.7 The oxygen transfer capability and period of different mixing tubes

6 結(jié)束語

國內(nèi)很多學(xué)者通過試驗找出射流器的尺寸與混合效果的關(guān)系,如龐云芝等[17]研制了一種應(yīng)用于冰下和深水的射流式增氧機,通過試驗探討了設(shè)計尺寸與性能的關(guān)系;吳世海[2]通過試驗篩選了影響射流式增氧機吸氣量和動力效率的部件,但在設(shè)計之后并沒有進行數(shù)值仿真,是典型的設(shè)計—制造—試驗的模式。本研究中在設(shè)計射流式增氧裝置后進行了計算流體動力學(xué)的仿真,對所設(shè)計的尺寸和工作狀態(tài)進行了比較分析,使后來的制造和試驗有了保證,形成了設(shè)計—仿真—比較分析—制造—試驗的新方法。

運用κ-ε雙方程模型對空氣-水引射器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,得到射流器工作時內(nèi)部流場的氣相分布圖和壓力分布圖,揭示了混合管內(nèi)部的流動狀態(tài),能夠直觀地分析混合情況的好壞,為研制射流增氧設(shè)備提供了參數(shù)優(yōu)化的新方法,并通過數(shù)值模擬對產(chǎn)品的性能進行準(zhǔn)確的預(yù)測。

射流器混合管與噴嘴的截面積比是設(shè)計時的重要參數(shù),與混合效果有著密切的關(guān)系。本研究中通過改變混合管的直徑,對不同截面積比的射流器進行了數(shù)值模擬,找出了截面積比與混合效果之間的變化規(guī)律,確定了混合效果最好的一組尺寸,并進行射流器充氧驗證試驗。充氧試驗的數(shù)據(jù)證明,數(shù)值仿真得出的變化規(guī)律是正確的,而且通過仿真確定的混合效果最好的尺寸即是試驗效果最好的尺寸,說明射流器的CFD仿真是有效、可靠的。

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Numerical simulation and experiment in the design of a jet aerator based on Fluent

JIA Hui-wen1,2,CAO Guang-bin1,JIANG Shu-yi1,HAN Shi-cheng1,CHEN Zhong-xiang1
(1.Heilongjiang River Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Harbin 150070,China; 2.College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The κ-ε two-equation turbulence model was applied to simulate the internal fluid field in a jet aerator designed by the authors.The parameter patterns within the fluid field revealed the flowing state in the mixing tube, which provided a reliable approach for parameter optimization and performance prediction of the jet aerator.The analysis of the data of numerical simulation indicated that the optimal area ratio was 2.33.The oxygen transfer experiment proved that the numerical simulation was in the same line with the experimental results.

jet aerator;numerical simulation;area ratio

2095-1388(2011)03-0247-06

S969.32

A

2010-06-17

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2009GB23260451);黑龍江省科技計劃項目(GA06B203);黑龍江水產(chǎn)研究所基本科研業(yè)務(wù)費項目(2009HSYZX-YZ-04)

賈惠文(1984-),男,碩士研究生。E-mail:jhw20038152000@yahoo.com.cn

曹廣斌(1957-),男,研究員。E-mail:laocao@hotmail.com