氣浮過程中氣泡的聚并和破碎行為研究

于米滿，姬愛民

（華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063200）

氣浮池作為一種有效的凈水裝置，包括接觸區(qū)與分離區(qū)，其中接觸區(qū)是氣浮池中溶氣水（即從飽和裝置中流出的加壓溶氣水）與待處理污水開始相互接觸的場所[1-2]。平流式氣浮池凈水系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示，溶氣水中被加壓溶解的空氣在接觸區(qū)當(dāng)中迅速釋放出直徑約為10～100 μm 的微小氣泡，然后這些氣泡迅速與污水中的顆粒物進行相互作用，最后氣泡攜帶顆粒物在分離區(qū)中實現(xiàn)分離[3-4]，達到降低污水中BOD、COD、SS 含量的目的。由于回流比、溶氣壓力、接觸區(qū)中氣泡的尺寸、濃度等參數(shù)對氣浮分離效率起到?jīng)Q定性作用，因此需要對接觸區(qū)中氣泡的運動進行研究[5-7]。

圖1 平流式氣浮池凈水系統(tǒng)示意圖[8]

目前關(guān)于氣浮過程中氣泡運動特性研究的焦點主要在于氣浮過程的水力工況操作對氣泡運動的影響，如陳阿強[9]等在僅考慮氣泡聚并行為的前提下從液相速度梯度、污水處理量以及溶氣水回流量對氣泡聚并行為進行了數(shù)值仿真和實驗研究；張義科[10]等以實驗方法評價了溶氣壓力、溶氣釋放器結(jié)構(gòu)、表面活性劑濃度等對接觸區(qū)氣泡直徑分布的影響；王晨[11]等從溶氣壓力、溶氣釋放器結(jié)構(gòu)及其個數(shù)對接觸區(qū)中氣泡的生成規(guī)律開展了實驗研究。

然而上述仿真和實驗研究均缺乏針對接觸區(qū)中氣泡破碎可能性的評估，因此以陳阿強[9]等的數(shù)值模擬工況為基礎(chǔ)，結(jié)合CHEN[8]等關(guān)于最小渦尺寸的研究，針對氣浮氣浮池接觸區(qū)中氣泡聚并行為進行數(shù)值仿真，同時對忽略接觸區(qū)中氣泡破碎行為的正確性做出論證。

1 求解方法及設(shè)置

1.1 氣液物性參數(shù)

在幾何模型中設(shè)置水和空氣兩相，其中水作為連續(xù)分布的主相，空氣作為離散分布的次相。水和空氣的密度分別為998.2 kg·m-3和1.225 kg·m-3，黏度分別為1×10-3Pa·s 和1.81×10-5Pa·s，表面張力為0.072 8 N·m-1。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

笛卡爾坐標(biāo)系中的接觸區(qū)三維幾何模型如圖 2所示，包括分離區(qū)的一部分，作為延長區(qū)，目的是確保接觸區(qū)內(nèi)湍流充分發(fā)展。根據(jù)幾何模型設(shè)置的網(wǎng)格劃分方案如圖 3 所示，所得六面體網(wǎng)格數(shù)量為256 836，節(jié)點數(shù)為274 418。

圖2 氣浮池接觸區(qū)三維幾何模型示意圖

圖3 網(wǎng)格劃分方案

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

取接觸區(qū)流域中inlet_1 截面圓心（45 mm、150 mm、175 mm），對該點處不同網(wǎng)格尺寸條件下的氣泡直徑進行監(jiān)測可知，采用5 mm 的網(wǎng)格尺寸對幾何模型進行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分可得網(wǎng)格無關(guān)解。氣泡直徑隨網(wǎng)格尺寸的變化如圖4 所示。

圖4 氣泡直徑隨網(wǎng)格尺寸的變化

1.4 邊界條件設(shè)置

1.4.1 入口邊界條件設(shè)置

根據(jù)文獻[9]將入口1 與入口2 的流量分別設(shè)置為0.6 m3·h-1和0.3 m3·h-1，由入口1 與入口2 的幾何尺寸可得流體速度分別為0.265、0.023 8 m·s-1，其中入口1 處氣含率為0.038 5，氣泡初始直徑分布如表 1 所示。

表1 氣泡初始直徑及其體積分?jǐn)?shù)

為確保計算精確，需要得知入口1 與入口2 處的湍流強度IT。

式中：ρ—流體密度；

u—流體速度；

dv—水力直徑；

μ—流體動力黏度。

對于入口2，ρ和μ應(yīng)按照氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)加權(quán)計算，dv可依照式（2）計算，其中l(wèi)和w分別為入口2 的長度和寬度。

經(jīng)計算得，入口1 與入口2 處的湍流強度分別為5.48%和6.84%。

1.4.2 出口邊界條件設(shè)置

氣液兩相流體從接觸區(qū)流入氣浮分離區(qū)，延長區(qū)實際上屬于氣浮分離區(qū)，考慮到出口處應(yīng)滿足流體靜壓強分布規(guī)律，且當(dāng)流動穩(wěn)定時此處湍流流動已經(jīng)充分發(fā)展，因此將出口設(shè)置為outflow 邊界條件。

1.4.3 液面（surface）邊界條件設(shè)置

根據(jù)氣浮過程中的氣液兩相流動特征，接觸區(qū)液面處應(yīng)當(dāng)只允許氣相溢出，故設(shè)置為degassing 邊界條件。

1.4.4 壁面邊界條件設(shè)置

壁面（wall）粗糙度設(shè)置為0.5。

1.5 CFD-PBM 模型設(shè)置

將氣液兩相流動時間設(shè)定為190 s，數(shù)值求解方法與文獻[9]一致，僅考慮氣浮接觸區(qū)中氣泡的聚并行為，故不做重復(fù)性描述。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 科莫微尺度分布

湍流流場中包含許多尺寸各異的渦旋，眾多湍流渦旋的運動構(gòu)成湍流流動。湍流流場中的最小渦的尺寸等于科莫微尺度Kolmogorov microscale，后者可依照式（3）計算，其中ν為液相運動黏度，ε為湍能耗散率。

當(dāng)氣泡直徑大于科莫微尺度時（即dbχ＞ ）可認(rèn)為氣泡將發(fā)生破碎，因此使用科莫微尺度對接觸區(qū)中氣泡破碎行為進行評估，從而進一步驗證CFD-PBM 耦合方法中忽略氣泡破碎行為的正確性。不同處截面科莫微尺度分布如圖5、圖6 所示。

圖5 流域中x=45 mm 處截面科莫微尺度分布

圖6 流域中z=175 mm 處截面科莫微尺度分布

由圖5 和圖6 中x=45 mm、z=175 mm 處截面科莫微尺度分布可知，接觸區(qū)流域中科莫微尺度的值為100～1 400 μm，絕大部分流域中的科莫微尺度的值均超過100 μm，其中大部分流域中的科莫微尺度的值均超過300 μm，考慮到流域中大多數(shù)氣泡直徑為70～100 μm，因此可以忽略氣泡的破碎行為。

2.2 氣泡直徑分布和準(zhǔn)確性驗證

不同處截面氣泡直徑分布如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 中x=45 mm、z=175 mm 處截面氣泡直徑分布可知，接觸區(qū)流域中的氣泡直徑主要分布于70～130 μm 的區(qū)間，且100～130 μm 較大直徑的氣泡分布于接觸區(qū)上部流域，原因在于氣泡上浮并在氣浮區(qū)上方（參考y坐標(biāo)軸方向）出現(xiàn)較強烈的聚并行為導(dǎo)致其出現(xiàn)較大直徑的氣泡。將文獻[9]所示的流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布（圖9）與圖8 作對比可知求解結(jié)果的正確性。

圖7 流域中x=45 mm 處截面氣泡直徑分布

此外，圖8 與圖9 所示氣泡在靠近接觸區(qū)頂部液面處的分布規(guī)律存在差異，原因在于液面邊界條件的類型與文獻[9]不同。圖 8 中液面附近存在明顯的氣泡聚集且尺寸較大，符合實際狀況，而圖9 中液面未體現(xiàn)出該現(xiàn)象，因此說明文獻[9]當(dāng)中液面邊界條件有待修正。

圖8 流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布

圖9 流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布[9]

3 結(jié) 論

在ANSYS Fluent 軟件平臺中使用CFD-PBM 耦合方法，在忽略氣泡破碎行為的前提下對氣浮池接觸區(qū)氣泡運動特性進行數(shù)值模擬研究，可得如下結(jié)論：

1）接觸區(qū)流域內(nèi)溶氣水管出口及其外壁附近表現(xiàn)出相對較大的氣泡直徑，氣泡直徑的最大值為130 μm，流域中大多數(shù)氣泡直徑為70～100 μm。

2）接觸區(qū)流域中科莫微尺度值分布于100～1 400 μm 區(qū)間，大部分流域中的科莫微尺度的值均超過300 μm，遠(yuǎn)大于流域中大多數(shù)氣泡直徑，因此可以忽略氣泡的破碎行為。