新型供氣式低壓射流曝氣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬優(yōu)化

張安龍 閻毓 王先寶 蹇昊辰

摘要：為了提升供氣式射流曝氣器的混合效果和充氧效率，本課題根據(jù)各種氧傳質(zhì)機(jī)理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提出進(jìn)氣管小孔出氣等優(yōu)化改進(jìn)方案。通過(guò)數(shù)值仿真分析軟件（Solideworks）建立三維模型，使用 Fluent軟件模擬分析結(jié)構(gòu)合理性和各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)湍流混合效果的影響。本課題對(duì)比了第一代和第三代新型曝氣器的流線圖。最終水相體積分?jǐn)?shù)仿真結(jié)果表明，新型曝氣裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理且混合效果有了顯著提升，第三代低壓供氣式射流曝氣器的最佳參數(shù)為一級(jí)管徑86 mm，一級(jí)噴嘴直徑36 mm，進(jìn)氣管直徑20 mm，進(jìn)氣管長(zhǎng)82 mm，混合室直徑140 mm，混合室長(zhǎng)400 mm，二級(jí)噴嘴直徑55 mm，開(kāi)孔孔徑3 mm，開(kāi)孔規(guī)模為均勻分布7列，每列8個(gè)。

關(guān)鍵詞：低壓供氣式射流曝氣器;湍流動(dòng)能;水相體積分?jǐn)?shù); Fluent軟件

中圖分類(lèi)號(hào)： TS73? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.013

Structure Design and Simulation Optimization of a New Air-supplied Low Pressure Jet Aerator

ZHANG Anlong1 ??YAN Yu1，* ??WANG Xianbao1 ??JIAN Haochen2

（1. School ofEnvironmental Science and Engineering，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021;

2. School ofMechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan Province，614202）

（*E-mail：1098905507@qq. com）

Abstract：In order to improve the mixing effect and oxygenation efficiency of air-supplied jet aerator，the structure of which was redesigned according to various oxygen mass transfer mechanisms，and the optimizized scheme such as small hole outlet on inlet pipe was proposed. The three-dimensional model was established using numerical simulation and analysis software（Solidworks）， and Fluent software was used to simulate and analyze the structural rationality and the influence of various structural parameters on the turbulent mixing effect. This study compared the streamline diagrams of the first-generation and the third-generation new aerators. The simulation results of water phase volume fraction showed that the design structure of the new aerator was reasonable and the mixing effect significantly improved. The optimized pa?rameters of the third-generation air-supplied low pressure jet aerator were as follows：diameter of primary pipe，primary nozzle，and inlet pipe of 86，36，and 20 mm，respectively，inlet pipe length of 82 mm，mixing chamber diameter and length of 140 and 400 mm，respective?ly the secondary nozzle diameter of 55 mm and opening diameter 3 mm. The opening distribution was 7 columns evenly distributed with 8 holes in each.

Key words：air-supplied low pressure jet aerator; turbulent kinetic energy; water phase volume fraction;Fluent software

射流曝氣技術(shù)是繼空氣擴(kuò)散曝氣技術(shù)和機(jī)械曝氣技術(shù)后問(wèn)世的第3種曝氣技術(shù)[1]，由于射流曝氣器具有不容易被堵塞、曝氣面積大、更換周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在我國(guó)大量的城市污水處理廠和各類(lèi)工業(yè)廢水處理廠中得以應(yīng)用[2-5]。射流曝氣器從供氣方式上可以分為供氣式和自吸式兩種[6]，相比自吸式射流曝氣器，供氣式低壓射流曝氣器通過(guò)風(fēng)泵向射流器供氣，這樣可以自由調(diào)整汽水比，利用汽水劇烈混合形成的湍流狀態(tài)切割氣泡，可以有效控制湍流的規(guī)模和尺寸，大大提高氣液的接觸面積。

射流曝氣技術(shù)近30年來(lái)已成功應(yīng)用于造紙工業(yè)廢水的生化處理中，如1996年廣州造紙廠利用射流曝氣系統(tǒng)處理其生產(chǎn)廢水;1997年的云南思茅造紙廠廢水處理;1998年的華泰紙業(yè)與鎮(zhèn)江金河處理漂白堿法草漿和漂白硫酸鹽葦漿廢水;2000年的太陽(yáng)紙業(yè)二期漂白堿法草漿廢水，以及2001年的江門(mén)甘化廠蔗渣漿廢水處理工程等[7]。

為提高混合效果，張佳曄[8]與謝飛[9]分別對(duì)原版射流曝氣器進(jìn)行了加孔板結(jié)構(gòu)和優(yōu)化原版射流曝氣器最佳結(jié)構(gòu)測(cè)得實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示混合效果得到提升，但張佳曄在混合室增加孔板讓廢水從中流過(guò)，這使得管道容易堵塞，謝飛相比張佳曄放棄了孔板結(jié)構(gòu)，對(duì)原版射流曝氣器進(jìn)行了尺寸優(yōu)化并測(cè)試工況最優(yōu)解，使混合效果在張佳曄的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升[9]。張佳曄測(cè)得工況為：水速1.5 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑40 mm。謝飛測(cè)得最佳工況為：水速3 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑40 mm。為再次增加混合效果，改變曝氣管易堵塞的狀況，并使裝置在低流量下節(jié)約能耗，本課題在水速0.5 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑20 mm 的工況下重新進(jìn)行了低壓射流曝氣器設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

1.1 設(shè)計(jì)圖紙

先前研究在充分了解和考慮氧傳質(zhì)的各種理論以及影響氧傳質(zhì)的各種因素后[10]，為了增加相同體積氣體的總表面積、曝氣器產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度和氣液混合效果，進(jìn)而提高充氧效率，提出進(jìn)氣管小孔出氣、一級(jí)噴嘴周?chē)黾訐醢宓葍?yōu)化改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)出了第三代供氣式射流曝氣器，其一級(jí)噴嘴口周?chē)捶忾]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[11]。本課題對(duì)該低壓供氣式射流曝氣器進(jìn)行改進(jìn)。圖2為改良后第三代供氣式射流曝氣器模型。

1.2 采集其他模型

本課題選取謝飛改進(jìn)的射流曝氣器作為第一代對(duì)比對(duì)象[9]，選取張佳曄改進(jìn)的射流曝氣器作為第二代對(duì)比對(duì)象[8]。表1為模型名字及其特征對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)方法

使用 Mesh 軟件對(duì)表2所示的所有模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分然后利用 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，最后使用 CFD POST將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理轉(zhuǎn)化后進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)性能好壞。

2.1 實(shí)驗(yàn)工具

本課題采用Solideworks軟件對(duì)各參數(shù)射流曝氣器進(jìn)行三維建模。一級(jí)管徑76 mm，一級(jí)噴嘴直徑24 mm，進(jìn)氣管直徑20 mm，進(jìn)氣管長(zhǎng)110 mm，混合室直徑140 mm，混合室長(zhǎng)500 mm;二級(jí)噴嘴直徑55 mm，開(kāi)孔孔徑5 mm，開(kāi)孔規(guī)模為均勻分布7列，每列8個(gè)。采用 Mesh 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

本課題使用 Fluent 軟件建立控制方程、能量方程、標(biāo)準(zhǔn) k-ε流模型并設(shè)置模型邊界條件、初始條件，采用歐拉多相流對(duì)建立的方程進(jìn)行求解計(jì)算。設(shè)置相應(yīng)的求解控制參數(shù)。兩相為空氣和液態(tài)水，進(jìn)氣口和入水口分別設(shè)置速度為10 m/s和0.5 m/s，進(jìn)水壓力和出口壓力均為60000 Pa，進(jìn)氣口壓力為70000 Pa。最終使用CFD軟件對(duì)各模型進(jìn)行輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 數(shù)值模擬

混合效果受到多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，因此，本課題以原模型參數(shù)為基礎(chǔ)[8]設(shè)計(jì)了不同參數(shù)的一級(jí)噴嘴直徑、一級(jí)管徑、二級(jí)噴嘴直徑、混合管長(zhǎng)度、混合管直徑、進(jìn)氣管直徑、進(jìn)氣管長(zhǎng)度、進(jìn)氣管小孔直徑、進(jìn)氣管開(kāi)孔率的模型1～33，并對(duì)它們分別進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 第三代曝氣器的微調(diào)

圖4為第三代曝氣器改良前流線主視圖。從圖4可以看出，未改良的第三代曝氣器模型33，其產(chǎn)生的湍流聚集在了一級(jí)噴嘴后方，湍流沒(méi)有在氣液相遇處形成，不利于氧氣傳質(zhì)。因此將一級(jí)噴嘴口附近區(qū)域封閉如圖2所示，這時(shí)圖4中各個(gè)湍流團(tuán)前移，且湍流以進(jìn)氣管為中心形成，即見(jiàn)圖5所示。

2.4 第三代射流曝氣器流線云圖

圖6中第三代曝氣器其在進(jìn)氣管左右兩處和進(jìn)氣管中心上方3處形成了漩渦狀激烈的湍流，而湍流的形成有利于氧氣的傳質(zhì)過(guò)程，所以總體上此模型是成功的。圖7為原版曝氣器在同種條件下的流線圖，可以發(fā)現(xiàn)其在進(jìn)氣口處也形成了湍流，但沒(méi)有第三代曝氣器的湍流劇烈。

圖8與圖9分別為相同工況下第三代與第一代氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖，這2幅圖中紅色代表水、藍(lán)色代表氣體、綠色代表混合十分均勻，可以看作氣泡被打的很碎且分布十分均勻，從圖8中可以看出，第三代曝氣器其氣液兩相混合十分均勻，其出口云圖中顯示綠色占大多數(shù)，且沒(méi)有出現(xiàn)深藍(lán)色和深紅色，因此第三代噴管的混合效果更好。

2.5 一級(jí)噴嘴直徑對(duì)混合效果的影響

圖10為速度壓力變化圖。圖10（a）顯示，每個(gè)模型在橫坐標(biāo)為310 mm 時(shí)都有壓力的突變下降，這是由于水流突然被進(jìn)氣管阻擋所致。比較模型1～7后發(fā)現(xiàn)，在相同的工況下，隨著一級(jí)噴嘴直徑越大，其壓力波動(dòng)范圍越小。其中模型4壓力變化的范圍大、壓力平緩區(qū)少且變化最為頻繁，這說(shuō)明其內(nèi)部氣液兩相的壓力勢(shì)能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換頻繁，這有利于氧傳質(zhì)。而模型 1雖也有明顯壓力變動(dòng)區(qū)間，但沒(méi)有模型4的變化區(qū)間廣，所以模型4更為出眾。圖10（b）中，一級(jí)噴嘴直徑越大則從一級(jí)噴嘴流出的水速越小。在最終出口速度方面，氣液混合相的速度隨著一級(jí)噴嘴直徑的增加而增加。在距一級(jí)噴嘴距離400～700 mm 范圍內(nèi)的速度規(guī)律發(fā)生了明顯反轉(zhuǎn)，這是由于液體沖擊氣體發(fā)生了剪切混合作用，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了壓力勢(shì)能與內(nèi)能，一級(jí)噴嘴越小流出水的速度越大且與進(jìn)氣管碰撞后產(chǎn)生的內(nèi)能也越大，所以碰撞后速度減小。在相同混合管徑的情況下，內(nèi)能損失越大的，碰撞后的速度越小。模型4的速度變化最為劇烈，這有利于氧氣的傳質(zhì)。

圖11為水相體積云圖。從圖11中可以看出，在一級(jí)噴管出口處，水流沖擊進(jìn)氣管并與氣體發(fā)生剪切作用，此時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和壓力勢(shì)能。由于水的流速高致使氣流無(wú)法完全切割在重力影響下的水流，所以從圖11還可以看出，模型1的出口雖未出現(xiàn)明顯的紅色水相和藍(lán)色氣相，但下方還是呈現(xiàn)出黃色，這是不利于氧氣傳質(zhì)混合的。隨著一級(jí)噴嘴的管徑增大，水流的速度逐漸變小，模型2～模型4下方黃色漸變?yōu)樗{(lán)色。從最終的出口斷面看模型3、模型4的綠色占比大，混合效果優(yōu)異。模型5～模型7的結(jié)果顯示隨著一級(jí)噴嘴直徑變大，水流速度變小，在重力的作用下使水流無(wú)法完全切割上方氣柱，并且向下進(jìn)行流動(dòng)，所以模型5～模型7的進(jìn)氣管上方有明顯的藍(lán)色，下方有明顯的黃色，出口截面水相體積云圖也顯示氣液的混合不均勻。表3顯示隨著一級(jí)噴嘴直徑的增加，平均湍流動(dòng)能先變大后變小。而平均湍流耗散率是隨著一級(jí)噴嘴直徑的變大而減小的。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，模型4的壓力變化范圍廣，混合效果好，湍流動(dòng)能和湍流耗散率最高，所以選擇模型4進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.6 二級(jí)噴嘴直徑對(duì)混合效果的影響

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比模型4、模型8～模型11間各個(gè)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)二級(jí)噴嘴直徑對(duì)混合效果的影響較小，繼續(xù)選擇模型4進(jìn)行優(yōu)化。

2.7 不同進(jìn)氣管直徑對(duì)混合效果的影響

研究發(fā)現(xiàn)，一級(jí)噴嘴口徑越大混合效果越差，模型4、模型12～模型14中，模型4的壓力變化范圍廣，混合效果好，湍流動(dòng)能和湍流耗散率最高，在此選擇模型4進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.8 不同進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)混合效果的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，此因素下各模型混合結(jié)果非常相近。此外還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管長(zhǎng)度越短則產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度越高，進(jìn)氣出口的氣速增大，從而使得氣體和液體發(fā)生強(qiáng)烈碰撞產(chǎn)生激烈的湍流。上述這種情況的產(chǎn)生是由于在入口氣速恒定的情況下，進(jìn)入進(jìn)氣管的氣量不變，但進(jìn)氣管長(zhǎng)度縮短了，使得出氣口總面積減小所致。而湍流強(qiáng)度越強(qiáng)則越有利于氧氣的傳質(zhì)，綜合上述，這里選擇模型15繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化。

2.9 不同混合管長(zhǎng)度對(duì)混合效果的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，此因素下各模型混合結(jié)果非常相近。考慮到節(jié)約制作成本，選擇混合管最短的模型21作為進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)。

2.10 不同混合管直徑對(duì)混合效果的影響

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，模型21、模型25～模型27隨著混合管直徑變大，混合管的混合效果越來(lái)越好，這說(shuō)明過(guò)小的混合室無(wú)法使混合均勻，產(chǎn)生這種情況的原因在于，進(jìn)氣管放出的氣體距離管壁太近，氣體噴射到管體后向四周產(chǎn)生巨大的沖擊力，而混合管上方的水體本身由于重力作用導(dǎo)致其水平方向剪切力不足，從而無(wú)法對(duì)氣柱產(chǎn)生完全切割。但隨著混合管直徑的變大，這種沖擊產(chǎn)生的阻力變小，水體可以和氣體發(fā)生充分的切割。模型27的平均湍流動(dòng)能和平均湍流耗散率均為最高，因此選擇模型27作為繼續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)的基礎(chǔ)。

2.11 進(jìn)氣管開(kāi)孔孔徑對(duì)混合效果的影響

經(jīng)測(cè)試不同進(jìn)氣管開(kāi)孔孔徑后發(fā)現(xiàn)，模型28、模型29的混合結(jié)果非常相近，但發(fā)現(xiàn)小孔直徑越小其湍流強(qiáng)度越高，綜上所述本課題選擇模型28作為繼續(xù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

2.12 進(jìn)氣管開(kāi)孔數(shù)對(duì)混合效果的影響

通過(guò)測(cè)試不同進(jìn)氣管開(kāi)孔數(shù)后發(fā)現(xiàn)模型28、模型 30、模型31，除了湍流強(qiáng)度存在規(guī)律性差異外，各模型的混合結(jié)果非常相近，此因素下實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示開(kāi)孔數(shù)越多湍流強(qiáng)度越弱，這是由于開(kāi)孔數(shù)多了則每個(gè)孔的出口壓強(qiáng)變低，從而使得氣體流速降低進(jìn)而剪切力減小，導(dǎo)致形成的湍流強(qiáng)度明顯下降。此因素下模型28的湍流強(qiáng)度最高，所以選擇模型28為基礎(chǔ)繼續(xù)進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.13 一級(jí)管徑對(duì)混合效果的影響

圖12為速度壓力變化圖。由圖12（a）可以看出，隨著一級(jí)管徑的增大，250～750 mm全區(qū)間的速速也越來(lái)越大，這是因?yàn)樵谙嗤倪M(jìn)水速度下，一級(jí)管徑越大，進(jìn)入的水量就越多單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入混合管的動(dòng)能也越大，又因?yàn)榛旌瞎苤睆较嗤?，因此水速變大。?250～400 mm 區(qū)間內(nèi)，各模型速度變化趨勢(shì)相同，模型28、模型33的最大速度均大于模型32，模型28、模型 33的最大速度相差不大且在區(qū)間400～750 mm 速度變化趨勢(shì)幾乎相同，速度增減頻率均相同。從圖12（b）可以看出，一級(jí)管徑的增大也使得裝置的整體壓力變大，模型33的壓力大小跨度最大，壓力的每次上升下降更為明顯，模型28、模型33的壓力變化趨勢(shì)以及壓力增長(zhǎng)降低變化頻率相同。模型32在全區(qū)段相較于其他模型壓力變化幅度最小，上升下降頻率最低。

圖13為水相體積云圖。由圖13看出，隨著一級(jí)管徑的增大，混合管中的藍(lán)色越來(lái)越淡，綠色越來(lái)越深且變多，這說(shuō)明一級(jí)管徑在66～86 mm之間混合效果成正比關(guān)系，從出口截面的截圖也可以看出模型32出現(xiàn)了深藍(lán)色痕跡，而模型28、模型33沒(méi)有，可以看出模型33的混合效果最好，綠色占了絕大多數(shù)，而綠色的占比越高說(shuō)明混和的越均勻。從表4可以看出，模型33的平均湍流耗散率和平均湍流動(dòng)能均為最大，這是由于相同水速下，管徑增大水流量變大，單位質(zhì)量動(dòng)能增大致使剪切力和湍流強(qiáng)度變大導(dǎo)致的。所以選擇模型33為進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。

2.14 曝氣器混合效果對(duì)比

圖14為第一代～第三代最優(yōu)工況下的水相體積云圖。第二代供氣式低壓射流曝氣器，工況為水速1.5 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑40 mm[8]。第一代低壓供氣式低壓射流曝氣器工況為水速3 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑40 mm[9]。第三代供氣式低壓射流曝氣器工況為水速0.5 m/s，氣速10 m/s，進(jìn)氣口直徑20 mm。從混合效果和工況可以看出，此次優(yōu)化不僅混合效果有了明顯的提升，還將進(jìn)氣流量、進(jìn)水水速、水流量降的更低了，這樣降低了對(duì)電的能耗，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

3 結(jié)論

3.1 為了提高供氣式低壓射流曝氣器的氧傳質(zhì)速率和混合效果，本課題對(duì)比了第一代和第三代曝氣器的模擬結(jié)果，通過(guò)流線圖和液相體積云圖發(fā)現(xiàn)，新設(shè)計(jì)的第三代供氣式低壓射流曝氣器在同工況下，其混合效果明顯好于第一代。并且本課題通過(guò)流線圖發(fā)現(xiàn)了第三代供氣式低壓射流曝氣器的初次設(shè)計(jì)存在缺陷，于是將一級(jí)噴嘴左右兩端填封，使得湍流前移，達(dá)到增加氧傳質(zhì)效果的目的。

3.2 本課題對(duì)于第三代曝氣器的幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模型構(gòu)建和數(shù)值模擬，計(jì)算并分析了這些參數(shù)的改變對(duì)新設(shè)計(jì)的曝氣器所帶來(lái)的影響，同時(shí)優(yōu)化出了最佳的參數(shù)數(shù)據(jù)。最佳參數(shù)為一級(jí)管徑86 mm ，一級(jí)噴嘴直徑36 mm ，進(jìn)氣管直徑20 mm ，進(jìn)氣管長(zhǎng)82 mm ，混合室直徑140 mm ，混合室長(zhǎng)400mm ，二級(jí)噴嘴直徑55 mm ，開(kāi)孔孔徑3 mm ，開(kāi)孔規(guī)模為均勻分布7列，每列8個(gè)。

3.3 相較第一代與第二代射流曝氣器所做的改進(jìn)，此次改進(jìn)，非常明顯的提升了混合結(jié)果，且在其理論上降低了能耗。

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（責(zé)任編輯：黃舉）