曝氣池內(nèi)氣液流態(tài)的實驗分析和數(shù)值模擬

周 靖

(安徽工業(yè)大學(xué) 工商學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

活性污泥法是污水、城市污水以及有機性工業(yè)廢水的主體處理技術(shù)[1].曝氣池是采用活性法進行污水生物處理的主要構(gòu)筑物[2].通過曝氣對反應(yīng)器內(nèi)污水進行攪拌、充氧，從而保證池內(nèi)微生物在有充足溶解氧的條件下，對污水中有機物進行氧化分解作用[3].本文采用的曝氣方法為鼓風(fēng)曝氣，鼓風(fēng)曝氣是影響污水處理廠出水水質(zhì)和降低能耗的重要部分[4].因此，曝氣池內(nèi)氣液的混合程度直接影響曝氣效率.本文通過實驗與數(shù)值模擬兩種方法對曝氣池內(nèi)氣液兩相流進行流態(tài)流速分析，通過實驗論證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，為今后的氣液兩相流數(shù)值模擬研究提供依據(jù).

1 物理模型

實驗與數(shù)值模擬的曝氣池規(guī)格一致均為邊長為500 mm的立方體，曝氣管直徑均為25 mm，垂直向上開有間隔60 mm均勻開有直徑為2 mm的孔眼.曝氣管置于距離曝氣池底部10 mm高度處，且緊靠在曝氣池一側(cè)中心處.

2 實驗設(shè)計

實驗曝氣池為有機玻璃立方體，能清晰觀察池內(nèi)氣液兩相流態(tài)，實驗采用量程為0.6 m3·h-1的玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制流量，鼓風(fēng)裝置為0.05 MPa的氣泵.實驗裝置實物圖如1所示.

圖1 實驗裝置實物圖

由圖1可以看到，空氣由氣泵送出，經(jīng)過流量計，通過軟管到曝氣管中，由曝氣管上的三個孔眼噴出，對曝氣池內(nèi)的水進行曝氣.為了保證曝氣的強度足夠大，方便觀察池內(nèi)氣液兩相流態(tài)，實驗時通過流量計調(diào)節(jié)流量為0.5 m3·h-1，這樣孔口流速就達到了14.7 m·s-1>10 m·s-1.在曝氣的過程中，肉眼僅能觀察到曝氣管孔眼處及周圍小部分區(qū)域垂直朝上的氣流，其他區(qū)域的細小氣泡及環(huán)流是觀察不到的.為了觀察到氣液兩相環(huán)流的方向及區(qū)域，在池中放置了一個懸浮顆粒(即圖1中紅色圓圈標(biāo)明的顆粒)，顆粒密度約為0.97 kg·m-3，因此可以認為顆粒的運動不受自身重力與水的浮力的影響，而僅受池內(nèi)氣液兩相流動的影響，通過攝像觀察這個小顆粒的運動情況可以反映出池內(nèi)氣液兩相的流動情況及環(huán)流的方向和強度.

3 實驗結(jié)果與分析

將玻璃轉(zhuǎn)子流量計通過流量調(diào)節(jié)至0.5 m3·h-1,觀察池內(nèi)懸浮顆粒的運動情況.可以清楚地看到小顆粒在正面及側(cè)面沿著環(huán)形方向流動，且側(cè)面的速度及出現(xiàn)在側(cè)面的次數(shù)都比較大，這說明曝氣池內(nèi)正面及側(cè)面都形成了環(huán)流，且側(cè)面環(huán)流強度比正面環(huán)流強度大.正面顆粒環(huán)形流動示意圖如圖2所示.

圖2 正面顆粒環(huán)形流動示意圖

圖2正面顆粒環(huán)形流動示意圖為持續(xù)13 s左右一段攝像的六張截圖，為了方便觀察懸浮顆粒的位置本文用紅色圓圈標(biāo)注出來，從這六張截圖可以清晰地看到懸浮顆粒沿著逆時針的方向進行環(huán)形流動.這表明，曝氣池內(nèi)在正面方向氣液兩相有環(huán)流存在，且方向為逆時針方向.這是由于曝氣管是安裝在池底一側(cè)的，這樣氣體對池內(nèi)液體的作用力就集中在一側(cè)，因此池內(nèi)液體在氣體的帶動下在池內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)流動，同樣在液體的卷吸作用下氣體在一定程度上也隨著液體形成了環(huán)流.側(cè)面顆粒環(huán)形流動示意圖如圖3、圖4所示.

圖3 側(cè)面左側(cè)顆粒環(huán)形流動示意圖

圖4 側(cè)面右側(cè)顆粒環(huán)形流動示意圖

圖3側(cè)面左側(cè)顆粒環(huán)形流動示意圖為持續(xù)7 s左右攝像的六張截圖，從這六張截圖可以清晰地看到懸浮顆粒朝左沿著逆時針的方向進行環(huán)形流動.這表明，曝氣池內(nèi)在側(cè)面左側(cè)氣液兩相有環(huán)流存在，且方向為逆時針方向.

圖4側(cè)面右側(cè)顆粒環(huán)形流動示意圖為持續(xù)7 s左右攝像的六張截圖，從這六張截圖可以清晰地看到懸浮顆粒朝右沿著順時針的方向進行環(huán)形流動.這表明，曝氣池內(nèi)在側(cè)面右側(cè)氣液兩相有環(huán)流存在，且方向為順時針方向.

出現(xiàn)以上現(xiàn)象是由于從側(cè)面看曝氣管位于曝氣池中底部，這樣曝氣時氣體對液體的作用力就集中在中部，因此會在兩側(cè)呈現(xiàn)向外的環(huán)流，即出現(xiàn)圖3、圖4所示的左右兩側(cè)的環(huán)流.由于曝氣池結(jié)構(gòu)為一正立方體，因此側(cè)面環(huán)流的直徑是正面的一半，相對于正面環(huán)流來說強度比其高一倍.因此，懸浮顆粒在側(cè)面進行環(huán)形流動的概率比正面的大，且所用的時間較短，速度較快.

4 數(shù)值模擬

根據(jù)實際的流動形態(tài)，本文利用FLUENT軟件提供的雙歐拉模型及標(biāo)準k-ε湍流模型對曝氣池內(nèi)氣液兩相湍流流動進行三維數(shù)值模擬[5].又因為曝氣池內(nèi)氣液兩相流動都是非穩(wěn)態(tài)的，氣泡在上升的過程中體積、密度等參數(shù)都會隨著時間的推移而變化，到達池頂時還會產(chǎn)生破裂.因此，本文采用非穩(wěn)態(tài)條件進行數(shù)值計算，所顯示及分析的模擬結(jié)果是曝氣達到穩(wěn)定狀態(tài)后的氣液兩相的流場.

圖5 截面處氣相體積分數(shù)分布圖

本文將空氣定義為主相，水為次相，孔眼處設(shè)定為空氣入口，速度為14.7 m·s-1；池頂為壓力出口，水力直徑為0.05 m，開始計算時捕捉液面高度至350 mm高度處.

由于在FLUENT中僅能觀察一個面的氣相體積分數(shù)分布情況，因此取沿著管長方向垂直于曝氣管的面為觀測面，得到該面的氣相體積分數(shù)分布圖如圖5所示.

由圖5可以看出，氣體主要分布在氣體入口及上部的區(qū)域.這是由于氣體由孔口處以小氣泡的形式向上溢出，受浮力的作用持續(xù)上升至液面處，因此氣體主要分布在曝氣管孔眼周圍及上部區(qū)域.

采用FLUENT軟件對池內(nèi)兩相速度場進行分析，得到氣液兩相的速度矢量圖如圖6、圖7所示.

圖6 氣相速度矢量圖

圖7 液相速度矢量圖

從圖6氣相速度矢量圖及圖7液相速度矢量圖可以看出，空氣由孔口處以一定的速度噴流而出，在氣體的帶動下，整個曝氣池內(nèi)氣液兩相均以一定的速度運動.但是，雖然孔口處氣體的流速達到了14.7 m·s-1，但池內(nèi)中心區(qū)域液體的流速僅為0.02 m·s-1左右.因此，為了與實驗所得結(jié)論進行對比，需要清晰地看到池內(nèi)液體的流動情況，并對環(huán)流是否存在及環(huán)流的方向進行確定.筆者將流速的波動范圍調(diào)節(jié)至0～0.1 m·s-1，得到的液相矢量圖如圖8、圖9所示.

圖8 正面液相速度矢量圖

從圖8正面液相速度矢量圖及圖9側(cè)面液相速度矢量圖可以清晰地看到曝氣池在正面及側(cè)面均有環(huán)流形成，且正面環(huán)流是沿順時針方向的，側(cè)面環(huán)流是由兩個對稱的且方向相反的環(huán)流組成的.這是由于曝氣管位于曝氣池的一側(cè)，氣體對池內(nèi)液體的推動力就集中在一側(cè)，這樣從正面看便形成了環(huán)流；同時從側(cè)面看曝氣管位于曝氣池底部的中心處，氣泡由中間底部向上噴流而出，因此氣體對液體的作用力就集中在中間，受到氣體的作用力的影響，液體就向兩側(cè)擴散形成了兩個對稱的環(huán)流，方向朝外.這也正與實驗?zāi)M的結(jié)果相符.

5 實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

通過實驗可以看出曝氣池內(nèi)有環(huán)流形成，并確定了環(huán)流的方向及池內(nèi)兩相的基本流態(tài).通過FLUENT進行數(shù)值模擬也得到了與實驗相符的結(jié)果，并且能更清晰地看到池內(nèi)氣液兩相的流態(tài)，準確地確定各點的流速及氣相的體積分數(shù).

通過將實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析可以看出，本文使用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型基本準確.還可以明顯看到數(shù)值模擬的優(yōu)越性，進行一次數(shù)值計算就相當(dāng)于做了一次實驗，還能根據(jù)需要分析池內(nèi)各點的氣液兩相流速及分布情況等，為實際工作提供了很多便利.