兩相流的供氣式射流曝氣噴嘴的分析模擬

郭濤，王德喜，宮澤

兩相流的供氣式射流曝氣噴嘴的分析模擬

郭濤，王德喜，宮澤

（沈陽工業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽 110000）

采用計算流體力學(xué)方法研究供氣式射流曝氣噴嘴與兩相流模擬，并改變噴嘴直徑、混合腔體最大直徑、混合腔體長度等關(guān)鍵參數(shù)，計算供氣式射流曝氣噴嘴的兩相流的湍流混合效果。模擬結(jié)果表明，對兩相湍流混合結(jié)果的影響因素為：氣液混合出口直徑>四級噴嘴直徑>混合腔體長度>二級噴嘴直徑>三級噴嘴直徑>混合腔體最大直徑>一級噴嘴直徑。對供氣式射流曝氣噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行單因素模擬優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后設(shè)備內(nèi)部兩相流體混合更加均勻，曝氣效果更優(yōu)。

兩相流； 供氣式； 射流曝氣； 噴嘴； 分析模擬

曝氣是污水生化處理的十分重要的環(huán)節(jié)，他的作用是向反應(yīng)器中提供額外的氧氣或臭氧，以起到消毒或供氧的目的。傳統(tǒng)的曝氣裝置存在易堵塞，使用壽命短等問題，在曝氣過程中氣液兩相傳質(zhì)系數(shù)較低，氣泡分布不均勻，曝氣效果有限[1-2]。

射流曝氣技術(shù)具有氣泡分布均勻、氣體分散傳質(zhì)系數(shù)高、充氧性能優(yōu)越等特點在污水生化處理中應(yīng)用十分廣泛。射流曝氣技術(shù)按照供氣形式主要分為供氣式與自吸式兩種形式。供氣式低壓射流曝氣裝置相較于自吸式射流曝氣的特點為通過鼓風(fēng)機供氣可使氣液輸入流量比具有多變性，并有效控制湍流規(guī)模尺寸，減少氣液接觸面液膜厚度，再次提升氣液兩相傳質(zhì)傳熱效果[3-4]。

為了進一步探究供氣式射流曝氣噴嘴氣液兩相湍流混合效果[5]，運用流體力學(xué)分析（CFD）軟件和CAD建立供氣式低壓射流反應(yīng)器模型，探究供氣式低壓射流反應(yīng)器空間結(jié)構(gòu)對湍流混合效果的影響，對供氣式射流曝氣噴嘴的設(shè)計優(yōu)化提出更加結(jié)構(gòu)方案，在理論上對其實際工程應(yīng)用有一定意義上的指導(dǎo)。

1 供氣式射流曝氣噴嘴工作原理及結(jié)構(gòu)

射流曝氣噴嘴的工作原理是利用射流作用，將壓力與流量不同的氣液兩相流體互相混合同時引發(fā)傳質(zhì)傳熱反應(yīng)，它主要由進水腔、擴散腔、進氣腔、吸氣腔、一級緩沖腔、混合腔等部分組成，供氣式射流曝氣噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

動力流體流經(jīng)進水腔后并在擴散腔形成水射流，通過擴散腔后在吸氣腔內(nèi)形成負壓環(huán)境，通向大氣的空氣被進氣腔吸入，形成氣液兩相混合流體噴射至下一腔體。噴射流體通過一級緩沖腔將氣液兩相流體進行混合并擴散到附近區(qū)域，此時帶有較多氣體的水流再次經(jīng)過混合腔進行回流再混合反應(yīng)?；旌戏磻?yīng)后的流體在漸縮腔、二級緩沖腔等特殊結(jié)構(gòu)腔體進行氣液兩相的再次混合，進一步提高氣液兩相混合效果，完成曝氣過程[4]。

1—進水腔；2—擴散腔；3—進氣腔；4—吸氣腔；5—一級緩沖腔；6—混合腔；7—漸縮腔；8—二級緩沖腔；9—漸擴腔。

2 供氣式射流曝氣噴嘴的數(shù)值模擬分析

2.1 實際模型建立及網(wǎng)格劃分

構(gòu)建供氣式射流曝氣噴嘴幾何模型如圖2所示。

1—進水口；2—第一節(jié)點；3—進氣口；4—一級噴嘴；5—二級噴嘴；6—混合腔；7—三級噴嘴；8—四級噴嘴；9—氣液混合出口。

曝氣噴嘴的初始結(jié)構(gòu)尺寸為：一級噴嘴直徑20 mm、二級噴嘴直徑30 mm、三級噴嘴直徑20 mm、四級噴嘴直徑16 mm、氣液混合出口直徑20 mm、混合腔體最大直徑50 mm、混合腔體長度40 mm。

采用ANSYS中的 ICEM網(wǎng)格生成方法，對供氣式射流曝氣噴嘴幾何模型進行模型修改與網(wǎng)格劃分，在初始結(jié)構(gòu)下ICEM所生成的結(jié)點總數(shù)為14 522個，網(wǎng)格總數(shù)為13 960個，網(wǎng)格無負體積，供氣式射流曝氣噴嘴網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 供氣式射流曝氣噴嘴網(wǎng)格劃分

2.2 流動模型的選擇

使用ANSYS Fluent 2021.R1版本的軟件對供氣式射流曝氣噴嘴混合過程進行數(shù)值模擬，多相流模型采用Eulerian-Eulerian模型，湍流模型目前應(yīng)用最廣泛的采用-湍流模型，該模型又分為標準-模型，RNG-模型和Realizable-模型3種[5-9]。綜合考慮，最終選擇Realizable-為最終黏度模型。邊界條件設(shè)定為無滑移、無滲流、無熱傳遞的固體界面，采用半隱式壓力耦合方程組（SIMPLE）進行瞬態(tài)求解。

2.3 邊界條件的設(shè)定

邊界條件設(shè)置如下：水和空氣入口均采用速度入口邊界條件，氣液混合出口采用壓力出口邊界條件[10-11]。工作流體進水口速度3.3 m·s-1，對應(yīng)的工作流體流量15 m3·h-1，進氣口進氣流速15.7 m·s-1，對應(yīng)的工作氣體流量為40 m3·h-1，曝氣器出口處的壓力為50 000 Pa[1,12-14]。

2.4 模擬結(jié)果與分析

基于湍流下氣泡破碎臨界尺寸理論，基于統(tǒng)計學(xué)及正交分析方法選取氣液混合出口的平均湍流動能作為評價指標[1]，選取一級噴嘴、二級噴嘴、三級噴嘴、四級噴嘴、氣液混合出口、混合腔體最大直徑、混合腔體長度7個影響因素并設(shè)計7因素3水平的數(shù)值模擬表，數(shù)值模擬因素水平見表1。

表1 數(shù)值模擬因素水平

表2 數(shù)值模擬結(jié)果

氣液混合出口處的湍流動能模擬結(jié)果見表2[1]。

混合出口處的數(shù)值模擬結(jié)果和極差進行分析，得出供氣式射流曝氣噴嘴湍流混合效果的結(jié)構(gòu)影響因素為：氣液混合出口直徑>四級噴嘴直徑>混合腔體長度>二級噴嘴直徑>三級噴嘴直徑>混合腔體最大直徑>一級噴嘴直徑。

3 供氣式射流曝氣噴嘴結(jié)構(gòu)單因素分析與優(yōu)化

基于供氣式射流曝氣噴嘴湍流混合效果的結(jié)構(gòu)影響因素分析，本文選取三個影響因素最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行單因素數(shù)值模擬分析。采用Fluent軟件對供氣式射流混合噴嘴的混合壓力場及氣液混合出口處湍流動能進行模擬分析，確定單個結(jié)構(gòu)的改變對供氣式射流曝氣噴嘴湍流混合效果的影響。

3.1 氣液混合出口直徑對湍流混合效果的影響

調(diào)節(jié)氣液混合出口直徑10、12、14、16、18、20、22、24、26 mm，一級噴嘴直徑24 mm、二級噴嘴直徑32 mm、三級噴嘴直徑24 mm、四級噴嘴直徑18 mm、混合腔體最大直徑54 mm、混合腔體長度40 mm，供氣式射流曝氣噴嘴的壓力分布云圖如圖4中a、b、c、d、e、f、g、h、i圖所示。從圖4（b）可以看出，相較于圖中初始結(jié)構(gòu)，（b）圖的氣液混合出口處壓力變換更加頻繁。而在初始結(jié)構(gòu)下，氣液混合出口處壓力變化更加平緩，不利于氣液兩相間傳質(zhì)。

圖5為氣液混合出口不同直徑對出口湍流動能的影響情況。從圖5可以看出，氣液混合出口直徑從10 mm增加到12 mm時，湍流動能最大。這是因為氣液混合出口直徑變大，使得兩相流體接觸面積增大，湍流混合作用隨之加強。但當氣液混合出口直徑大于12 mm時，湍流動能隨著氣液混合出口直徑的增加而減少，原因是當兩相接觸面積增加到一個極限后，接觸面積的增加會在氣液界面下氣體穿過并進入液體時的阻力。由此可知，氣液混合出口直徑為12 mm，供氣式射流曝氣噴嘴湍流強度最大。

圖5 不同氣液混合出口直徑的湍流情況

3.2 四級噴嘴直徑對湍流混合效果的影響

調(diào)節(jié)四級噴嘴直徑12、14、16、18、20、22、24、26、28 mm，一級噴嘴直徑24 mm、二級噴嘴直徑32 mm、三級噴嘴直徑24 mm、氣液混合出口直徑12 mm、混合腔體最大直徑54 mm、混合腔體長度40 mm，四級噴嘴不同直徑對出口湍流動能的影響如圖6中a、b、c、d、e、f、g、h、i圖所示。從圖6（g）可以看出，相較于圖中初始結(jié)構(gòu)，（g）圖的氣液混合出口處壓力變換更加頻繁。而在初始結(jié)構(gòu)下，氣液混合出口處壓力變化更加平緩，不利于氣液兩相間傳質(zhì)。

從圖7可以看出，在四級噴嘴直徑從12 mm增加到24 mm時，湍流動能呈現(xiàn)上升趨勢。隨著四級噴嘴直徑的增加，混合腔體內(nèi)兩相流混合更加均勻，液體紊動混合增強，混合過程進行得更加充分[14-18]。當四級噴嘴直徑從24 mm增加到28 mm時，減少了漸縮腔內(nèi)部的射流破碎時間，同時減弱了射流的卷吸、摻混作用，導(dǎo)致湍流混合效果的降低。

圖7 四級噴嘴不同直徑對混合效果的影響

3.3 混合腔體長度對湍流混合效果的影響

調(diào)節(jié)混合腔體長度32、34、36、38、40、42、44、46、48 mm，一級噴嘴直徑24 mm、二級噴嘴直徑32 mm、三級噴嘴直徑24 mm、四級噴嘴直徑24 mm、氣液混合出口直徑12 mm、混合腔體最大直徑54 mm，混合腔體的不同長度對出口湍流動能的影響如圖8中a、b、c、d、e、f、g、h、i圖所示。

從圖8（e）可以看出，相較于圖中初始結(jié)構(gòu)，（e）圖的氣液混合出口處壓力變換更加頻繁。而在初始結(jié)構(gòu)下，氣液混合出口處壓力變化更加平緩，不利于氣液兩相間傳質(zhì)[19-20]。

從圖9可以看出，在混合腔體長度從32 mm增加到40 mm時，湍流動能呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為混合腔體長度較短導(dǎo)致其內(nèi)部混合處于射流穿透狀態(tài)，還未完成射流就從三級噴嘴噴出，無法滿足射流破碎所要求的長度，進而導(dǎo)致出口處氣液兩相混合效果不均勻。隨著混合腔體長度的增加，混合腔體內(nèi)兩相流混合變得更加均勻，射流的卷吸、摻混作用得以增強，氣液兩相混合更加充分。而當混合腔體長度從40 mm增加到48 mm時，腔體內(nèi)部必須有一部分能量來克服由于混合腔體長度的增加而增加的摩擦阻力，湍流動能隨之減小。由此可知，混合腔體長度為40 mm時，供氣式射流曝氣噴嘴湍流混合效果最好。

圖9 混合腔體不同長度對混合效果的影響

3 結(jié) 論

1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，影響供氣式射流曝氣噴嘴混合效果因素表現(xiàn)為氣液混合出口直徑>四級噴嘴直徑>混合腔體長度>二級噴嘴直徑>三級噴嘴直徑>混合腔體最大直徑>一級噴嘴直徑。

2）根據(jù)單因素數(shù)值模擬，供氣式射流曝氣噴嘴的優(yōu)化參數(shù)為一級噴嘴直徑24 mm、二級噴嘴直徑32 mm、三級噴嘴直徑24 mm、四級噴嘴直徑24 mm、氣液混合出口直徑12 mm、混合腔體最大直徑54 mm、混合腔體長度40 mm。

3）通過對混合后初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的壓力云圖分析對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后氣液混合出口的壓力變換更加頻繁，氣液兩相的分布更均勻。而從初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的氣液混合湍流動能進行分析對比，可以得到在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的湍流動能從359.4 m2·s-2增加到1259.1 m2·s-2，氣液混合情況更佳。

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Analysis and Simulation of Two-Phase Flow Jet Aeration Nozzle

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(Shenyang University of Technology, Shenyang Liaoning 110000, China)

Computational fluid dynamics method was used to study the air-supply jet aeration nozzle and two-phase flow simulation, and through changing key parameters such as the nozzle diameter, the maximum diameter of the mixing chamber, and the length of the mixing chamber, turbulent mixing effect of two-phase flow of the air-supply jet aeration nozzle was calculated. The simulation results showed that the descending order of influencing factors on the results of two-phase turbulent mixing was as follows: gas-liquid mixing outlet diameter, fourth-stage nozzle diameter, mixing cavity length, second-stage nozzle diameter, third-stage nozzle diameter, maximum diameter of mixing chamber, first-stage nozzle diameter. The main structural parameters of the air-supply jet aeration nozzle were optimized by single factor simulation. After the optimization of the structure, the mixing of the two-phase fluid inside the equipment was more uniform and the aeration effect was better.

Two-phase flow; Air supply; Jet aeration; Nozzle; Analysis and simulation

2021-09-18

郭濤（1996-），男，碩士研究生，遼寧省葫蘆島市人，2019年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)機械設(shè)計及自動化專業(yè)，研究方向：機械工程。

王德喜（1970-），男，滿族，教授，博士，研究方向：流體機械及工程。

TP601

A

1004-0935（2021）12-1894-06