不同高徑比下氣液兩相流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

王蒙， 程文， 孫楠， 魏江偉， 程文娟

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048； 2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002； 3.長(zhǎng)慶油田公司第五釆油廠釆油工藝研究所，陜西 西安 710200)

不同高徑比下氣液兩相流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

王蒙1， 程文1， 孫楠2， 魏江偉3， 程文娟1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048； 2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002； 3.長(zhǎng)慶油田公司第五釆油廠釆油工藝研究所，陜西 西安 710200)

氣液兩相流是好氧曝氣過(guò)程中產(chǎn)生的一種復(fù)雜的氣液流動(dòng)形態(tài)，其流型、流態(tài)對(duì)曝氣反應(yīng)器的運(yùn)行效率具有重要的影響。本研究使用高速攝影機(jī)獲得氣泡羽流的流場(chǎng)圖像，再經(jīng)圖像處理和數(shù)值計(jì)算來(lái)研究氣泡羽流的空隙率參數(shù)，測(cè)得空隙率值在氣泡羽流中的分布，并結(jié)合羽流擺動(dòng)頻率對(duì)不同縱橫比下的羽流運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時(shí)，氣液兩相流的流場(chǎng)分布均勻，頻譜穩(wěn)定，能形成穩(wěn)定的氣液環(huán)流，使氣泡在液相中的停留時(shí)間變長(zhǎng)，可以有效地提高氧傳質(zhì)的效率，改善曝氣效果。

曝氣； 氣液兩相流； 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)； 縱橫比； 氧傳質(zhì)效率

曝氣是污水好氧生化處理系統(tǒng)中的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，是將空氣中的氧通過(guò)氣液接觸，強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器中液體的過(guò)程，可以為生化處理中的微生物提供必要的溶解氧，同時(shí)曝氣還可以提高池內(nèi)水流的湍動(dòng)程度，保證氧傳質(zhì)效果[1]。曝氣裝置廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程特別是污水處理設(shè)施中，提高曝氣效率可以有效提高污水處理能效，因此，對(duì)曝氣裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義[2]。

氣液反應(yīng)器是以氣體為動(dòng)力，形成氣液混合物的整體有序循環(huán)，所形成的氣液兩相流可以有效的增加反應(yīng)器中的傳質(zhì)效率。根據(jù)Vandu[3]等的研究發(fā)現(xiàn)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa隨表觀氣速的增加而增大，氧轉(zhuǎn)移效率EA卻隨表觀氣速的增大而略有下降，所以，氣液兩相流結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與氧傳質(zhì)的效率密切相關(guān)。研究氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，增加氣泡在水中的停留時(shí)間，可以增加氣相與液相的接觸時(shí)間和面積，形成有效的氣液循環(huán)，提高曝氣裝置的運(yùn)行效率。在本項(xiàng)研究中，使用高速攝影機(jī)獲得氣液兩相流的流場(chǎng)圖像，再經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像處理得到流場(chǎng)的灰度分布，并通過(guò)平均灰度與投影空隙率的相關(guān)曲線，計(jì)算出氣液兩相流在不同工況條件下空隙率的二維分布[4-5]，再使用快速傅立葉變換得到羽流擺動(dòng)的頻率和峰值，并對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的流場(chǎng)特征參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，最終得出優(yōu)化的曝氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，用一個(gè)長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃容器模擬曝氣池，尺寸為矩形面長(zhǎng)800 mm，寬300 mm，側(cè)面厚40 mm，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)空氣壓縮機(jī)由底部氣針為容器供氣，模擬曝氣。實(shí)驗(yàn)中使用的水為純水，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為18～20 ℃。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的控制參數(shù)如下：氣體通量為Q，控制在(2.95～3.95)×10-5m3/s之間，容器的縱橫比為H/W，選取1.0、1.5、2.0三種工況條件，氣泡半徑為R，由所得的一系列圖像經(jīng)處理計(jì)算后得到。

2 空隙率分布測(cè)量

本研究中，通過(guò)圖像處理技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲取的氣液兩相流運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行處理，其原理是利用流場(chǎng)中氣泡的不互相重疊部分，計(jì)算氣泡的平均灰度，再根據(jù)流場(chǎng)空隙率與圖像灰度間的關(guān)系，得到氣液兩相流流場(chǎng)的空隙率分布[6-7]。

投影空隙率是指劃分平面上的體積網(wǎng)格中，氣相所占的百分比，空隙率可通過(guò)投影空隙率的二維坐標(biāo)獲得，再根據(jù)氣泡的灰度變化情況，即可得到氣泡的局部平均灰度與投影空隙率間的相關(guān)曲線。投影空隙率的計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中，R為氣泡半徑，As指單位網(wǎng)格的投影面積，AsL為單位網(wǎng)格體積，N為氣泡數(shù)量。

根據(jù)Murai等的研究，當(dāng)N個(gè)氣泡中的1個(gè)氣泡的投影面積為Ab時(shí)，氣泡的投影率為：

(2)

體積網(wǎng)格的氣泡平均灰度值可由式(3)計(jì)算：

(3)

式中，i,j是圖像區(qū)域橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的像素坐標(biāo)值，f(i，j)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量位置的計(jì)算灰度值。

當(dāng)有N個(gè)氣泡在劃分的單位網(wǎng)格中時(shí)，氣泡平均灰度計(jì)算公式如式(4)：

(4)

式中，m、n是圖像區(qū)域橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的像素值，B0為背景灰度值。

在三種不同的縱橫比下，根據(jù)獲得的平均灰度值與投影空隙率的相關(guān)曲線，可以得到氣液兩相流空隙率值的二維分布[8]。其相關(guān)曲線如圖2所示。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)受到諸多因素的影響，其中縱橫比是影響氣液兩相流運(yùn)動(dòng)形態(tài)的主要因素之一[9]。在本研究中，實(shí)驗(yàn)分析了在15 kPa的壓力下，三種不同縱橫比條件下的氣液兩相流流場(chǎng)和空隙率的變化。本研究從27種實(shí)驗(yàn)工況中，選取了表觀氣速及空隙率變化較大的三種工況進(jìn)行分析，并對(duì)氣液兩相流的流型、流態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。三種實(shí)驗(yàn)工況(Pa=15 kPa)見(jiàn)表1。

當(dāng)壓強(qiáng)為15 kPa時(shí)，三種縱橫比下氣液兩相流的形態(tài)、平均灰度與空隙率分布如圖3～5所示。

當(dāng)縱橫比為1.0時(shí)，氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)變化主要在底部，由于液相深度較淺，整個(gè)氣泡羽流流場(chǎng)稍顯收縮，整體流場(chǎng)能形成穩(wěn)定的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，并有部分氣泡在上升至流場(chǎng)頂部后，沿邊壁向下運(yùn)動(dòng)。

流場(chǎng)中的空隙率值分布均勻，約為8%，氣相體積對(duì)氣液兩相流的影響較小，氣液兩相流保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、穩(wěn)定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣液循環(huán)，增加了氣泡在液體中的接觸面積和時(shí)間，有利于氧在液體中傳質(zhì)效率的增加[10-11]。

當(dāng)縱橫比為1.5時(shí)，氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)變化主要在中部，氣液兩相流沿著中心線上升，并在上升過(guò)程中逐漸出現(xiàn)雜亂無(wú)章的曲折擺動(dòng)，達(dá)到頂部時(shí)羽流遭到破壞，最大空隙率值均勻分布于氣液兩相流中心和頂端的位置，在10%左右，氣泡在羽流頂端較為集中，氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)型態(tài)較為穩(wěn)定，但在一定程度上會(huì)對(duì)氧傳質(zhì)效果有所影響。

當(dāng)縱橫比為2.0時(shí)，氣液兩相流呈現(xiàn)蜿蜒上升的蛇形運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)擺動(dòng)明顯，空隙率值約為7%，但流場(chǎng)頂部出現(xiàn)空隙率值較大的區(qū)域，約為20%，導(dǎo)致氣相在流場(chǎng)中分布及不平衡；同時(shí)，高縱橫比還造成氣泡在流場(chǎng)頂部聚集，大量氣泡直接溢出水面，形成了不穩(wěn)定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和較差的氣液循環(huán)，導(dǎo)致氧傳質(zhì)效率低下。

通過(guò)對(duì)獲得的氣液兩相流圖像進(jìn)行快速傅立葉變換處理，可以得到以反應(yīng)器中心為原點(diǎn)的羽流擺動(dòng)頻譜(見(jiàn)圖6)。

對(duì)圖中不同縱橫比下的氣液兩相流擺動(dòng)頻率進(jìn)行對(duì)比，可得出以下幾點(diǎn)。

1) 當(dāng)縱橫比為1.0時(shí)，流場(chǎng)中心不同深度的羽流擺動(dòng)頻率相似，頻譜的峰值呈規(guī)律變化，約為0.01 Hz。穩(wěn)定的擺動(dòng)頻譜和峰值都表明該縱橫比下的氣液兩相流流場(chǎng)具有很好的穩(wěn)定性。

2) 當(dāng)縱橫比為1.5時(shí)，靠近羽流中心區(qū)域的擺動(dòng)明顯，流場(chǎng)在距離反應(yīng)器中心20～40 mm處向邊壁發(fā)展時(shí)，羽流擺動(dòng)頻率峰值開(kāi)始出現(xiàn)，約為0.006 Hz，羽流擺動(dòng)的范圍為0～140 mm，說(shuō)明羽流流場(chǎng)的擺動(dòng)并未到達(dá)邊壁，無(wú)法帶來(lái)全場(chǎng)的液相擾動(dòng)與循環(huán)，這與前文所得的分析結(jié)論一致。

3) 當(dāng)縱橫比為2.0時(shí)，羽流在流場(chǎng)底部(15～463 mm)的擺動(dòng)頻率峰值要遠(yuǎn)大于中上部，其頻率峰值約為0.02 Hz。

從以上分析得出，隨著縱橫比的增加，流場(chǎng)中羽流擺動(dòng)的頻率和運(yùn)動(dòng)分布會(huì)產(chǎn)生一定的變化，導(dǎo)致流場(chǎng)的循環(huán)能力減弱及不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，在一定程度上影響了流場(chǎng)的液相循環(huán)及液面更新效率。

4 結(jié) 論

本研究使用仿曝氣裝置，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究不同縱橫比下的氣液兩相流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，并利用平均灰度與空隙率間的關(guān)系，得到了氣液兩相流流場(chǎng)的空隙率分布，再通過(guò)分析氣液兩相流流場(chǎng)的形態(tài)與空隙率分布，比對(duì)羽流的擺動(dòng)頻率及峰值，得出不同縱橫比下氣液兩相流穩(wěn)定性的結(jié)論，并由此推導(dǎo)曝氣裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)分析，得出以下結(jié)論。

1) 縱橫比是影響氣液兩相流運(yùn)動(dòng)形態(tài)的重要因素，當(dāng)縱橫比為1.0時(shí)，氣液兩相流的流場(chǎng)分布均勻，頻譜穩(wěn)定。當(dāng)縱橫比變?yōu)?.5和2.0時(shí)，流場(chǎng)的循環(huán)范圍減小且結(jié)構(gòu)形態(tài)開(kāi)始遭到破壞。因此在相同實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)裝置的縱橫比為1.0時(shí)，更有利于改進(jìn)曝氣效果。

2) 當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時(shí)，整個(gè)氣液兩相流的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率高；當(dāng)縱橫比為1.5時(shí)，氣液兩相流中部的結(jié)構(gòu)和形式最不穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率開(kāi)始降低；當(dāng)縱橫比為2.0時(shí)，氣液兩相流頂部的結(jié)構(gòu)和形式最不穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率最低。

3) 當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時(shí)，氣液兩相流能形成穩(wěn)定的氣液環(huán)流，氣泡運(yùn)動(dòng)到流場(chǎng)頂部后可跟隨氣液循環(huán)，沿邊壁下深至底部區(qū)域，使氣泡在液相中的停留時(shí)間變長(zhǎng)，這樣可以有效的改善氧傳質(zhì)的效率，優(yōu)化曝氣效果。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

Experimental study of flow structure of gas liquid two-phase flow under different aspect ratio

WANG Meng1, CHENG Wen1, SUN Nan2, WEI Jiangwei3, CHENG Wenjuan1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology,Xi’an 710048，China； 2.Shanxi Institute of Water Resources and Hydropower Research，Taiyuan 030002，China；3.Oil Recovery plant No.5 Changqing Oilfield Corp. Ltd, Institution of quantitative oil process，Xi’an 710200，China)

The gas liquid two-phase flow is a kind of complex gas-liquid flow morphology produced in the process of oxygen-bearing aeration, whose flow type and flow morphology are of important effect upon the operation of aerating reactor. In this study, the high-speed camera is used to obtain the original images of bubble plume flow field and then the void fraction parameters of the bubble plume flow are studied through the image processing and numerical calculation to measure the distribution of void fraction value in bubble plume flow and in combination with plume swing frequency, the plume flow movement condition under the different aspect ratios are analyzed. The research result indicate that when the aspect ratio of aeration device is 1.0, the flow field distribution of gas-liquid two-phase flow is even with stable frequency spectrum so as to form the stable gas-liquid circulation, whereby making the bubbles study longer in the liquid phase in such a way that oxygen transmission efficiency can be effectively raised and aeration performance can be improved greatly.

aeration；gas liquid two-phase flow；unstable structure；aspect ratio；oxygen transfer efficiency

1006-4710(2015)04-0434-05

2015-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076130)。

王蒙，男，博士生，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)與數(shù)值計(jì)算。E-mail: qq182172436@163.com。

程文，女，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)與數(shù)值計(jì)算。E-mail: Wencheng@xaut.edu.cn。

U664.9+2

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