雙曲面攪拌器翼型及安裝高程對(duì)攪拌性能的影響

石俊峰，鄭源，張海晟，郭繪娟

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 河海大學(xué)創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210098)

攪拌器在污水處理中起到至關(guān)重要的作用.電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌器旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為污水流動(dòng)的動(dòng)能，對(duì)攪拌器和攪拌池進(jìn)行合理的選型設(shè)計(jì)，最大程度地發(fā)揮攪拌池-攪拌器系統(tǒng)攪拌污水的能力，是達(dá)到充分?jǐn)嚢璧闹匾ＷC.為了保證活性污泥均勻分布于反應(yīng)池中，避免在池底形成大量堆積，要求池內(nèi)平均流速維持在0.250～0.300 m/s，研究發(fā)現(xiàn)，池底流速大于0.15 m/s時(shí)不會(huì)產(chǎn)生淤泥堆積[1].

已經(jīng)有很多國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值模擬對(duì)攪拌器進(jìn)行了研究.田飛等[1]針對(duì)各種形狀的氧化池設(shè)計(jì)出新型多葉輪潛水?dāng)嚢杵?，為潛水?dāng)嚢杵鲗?shí)際工程提供了參考.徐順等[2]通過(guò)CFX軟件對(duì)潛水?dāng)嚢杵魅~片不同的間隙進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明，軸功率和出口流量不受葉片間隙的影響.賈慧靈等[3]利用CFD技術(shù)從節(jié)能和攪拌效果兩方面研究了圓盤(pán)渦輪式槳葉對(duì)攪拌槽混合特性的影響.王斌帆[4]應(yīng)用Fluent軟件中提供的MRF模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模擬了雙曲面攪拌器在方形攪拌池中的工作流場(chǎng)，得出了與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相符的模擬數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性.蘭雅梅等[5]基于橫軸水輪機(jī)發(fā)電裝置研究了導(dǎo)流罩對(duì)能量利用率的影響，揭示了導(dǎo)流作用對(duì)提升水力機(jī)械性能的重要意義.但目前在雙曲面攪拌器槳葉附近能量傳遞過(guò)程及雙曲面攪拌器該如何導(dǎo)流等方面尚缺乏研究.

目前，攪拌池通?？膳鋵?duì)多種攪拌器械使用，優(yōu)化攪拌池不僅工期長(zhǎng)，成本高，且容易使攪拌池失去通用性，因此，優(yōu)化攪拌器是目前最優(yōu)的選擇.

在水處理過(guò)程中，分散型攪拌占有主要地位.污水?dāng)嚢璩貎?nèi)介質(zhì)不需要形成劇烈湍流(若在絮凝池中劇烈攪拌還可能會(huì)破壞絮體)，只要求池內(nèi)保持均質(zhì)，因此應(yīng)該使用分散攪拌.普通化工攪拌設(shè)備如推進(jìn)式攪拌器、框式攪拌器等強(qiáng)度和效率均低于雙曲面攪拌器，不適用于大容量的污水混合.污水?dāng)嚢璩赜捎诜磻?yīng)強(qiáng)度低，池子容積大，介質(zhì)停留周期長(zhǎng)，所以維持污水穩(wěn)定高速流動(dòng)，防止淤泥堆積顯得非常有必要，因此建議采用專門的污水?dāng)嚢柙O(shè)備進(jìn)行水處理，雙曲面攪拌器就是其中的一種.當(dāng)雙曲面攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)，特有的彎曲槳葉帶動(dòng)水流運(yùn)動(dòng)，攪拌器下端流體速度高，可以攪起污泥，使污泥呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，防止污泥在底部聚集.因?yàn)閿嚢杵鬓D(zhuǎn)盤(pán)為平滑曲面且轉(zhuǎn)速低，水體沿著攪拌器轉(zhuǎn)盤(pán)表面運(yùn)動(dòng)，黏滯阻力小，可以降低輸入系統(tǒng)的能量，節(jié)約能耗的同時(shí)防止污泥和絮體被打碎破壞.

文中選用某公司直徑為2 000 mm的雙曲面攪拌器，采用9 m×9 m×5 m方形攪拌池，通過(guò)對(duì)比雙曲面攪拌器不同的翼型、槳葉數(shù)量、安裝高程下流場(chǎng)狀態(tài)，利用湍流模型進(jìn)行分析，選出適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的雙曲面攪拌器，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

在本次數(shù)值模擬中，對(duì)尺寸為9 m×9 m×5 m的方形攪拌池進(jìn)行三維定常湍流計(jì)算.攪拌池內(nèi)中心位置布置1個(gè)雙曲面攪拌器，攪拌器底面位置距離池底1 000 mm，攪拌器安裝示意圖如圖1所示.

圖1 雙曲面攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

單槳葉攪拌器轉(zhuǎn)盤(pán)直徑2 000 mm，槳葉末端高度為65 mm，轉(zhuǎn)盤(pán)上均勻布置8個(gè)槳葉，每個(gè)槳葉所夾角度為45°，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.疊加槳葉雙曲面攪拌器轉(zhuǎn)盤(pán)直徑2 000 mm，疊加槳葉末端高度為65 mm，轉(zhuǎn)盤(pán)上均勻布置6個(gè)疊加槳葉，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 疊加槳葉雙曲面攪拌器

旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，并將沿Z軸方向設(shè)為正方向，單槳葉攪拌器轉(zhuǎn)速為50 r/min，疊加槳葉攪拌器轉(zhuǎn)速為-50 r/min.攪拌池內(nèi)介質(zhì)為常溫常壓的水，利用NX軟件為攪拌器建立1個(gè)直徑2 100 mm，高810 mm的圓臺(tái)區(qū)域，圓臺(tái)上表面與攪拌器上表面重合.攪拌器安裝示意圖如圖3所示.以下簡(jiǎn)稱單槳葉雙曲面攪拌器為單槳葉攪拌器，疊加槳葉雙曲面攪拌器為疊加槳葉攪拌器.

圖3 攪拌器安裝示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會(huì)對(duì)計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響.

由于雙曲面攪拌器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文中模擬采用自適應(yīng)較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格示意圖如圖4所示，并對(duì)槳葉等關(guān)鍵部位進(jìn)行加密[6]，如圖5所示.直到最小網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)到0.3，且計(jì)算域的體積加權(quán)平均速度改變量不超過(guò)5%，則認(rèn)為最后一次加密前的網(wǎng)格數(shù)為最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)，消除了網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[15].此算例中，水體部分權(quán)值取0.98，轉(zhuǎn)輪體部分權(quán)值取0.02.

圖4 攪拌器計(jì)算網(wǎng)格示意圖

圖5 網(wǎng)格局部加密

表1 模型網(wǎng)格單元數(shù)以及網(wǎng)格質(zhì)量

1.3 控制方程和求解算法

圖6為多重參考系模型，采用此模型將計(jì)算域分成攪拌槳區(qū)域和槳外區(qū)域[8].槳外區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系，攪拌槳區(qū)域采用運(yùn)動(dòng)參考系.要求2部分網(wǎng)格之間彼此獨(dú)立，在交界面處于相對(duì)靜止.

圖6 多重參考系模型

數(shù)值模擬在Fluent軟件平臺(tái)上進(jìn)行，為精準(zhǔn)地模擬轉(zhuǎn)盤(pán)區(qū)域的湍流流動(dòng)狀態(tài)，捕捉攪拌池內(nèi)流動(dòng)特性，攪拌過(guò)程中設(shè)置相應(yīng)潛水?dāng)嚢铏C(jī)運(yùn)行環(huán)境，包括重力加速度、池面大氣壓力；攪拌葉片、攪拌軸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速條件；選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計(jì)算模型；SIMPLEC算法進(jìn)行速度-壓力耦合求解；計(jì)算區(qū)域的邊界由固體邊界、水池上表面組成；水池上表面采用對(duì)稱邊界條件；所有壁面、軸、攪拌器槳葉及攪拌器表面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件；運(yùn)動(dòng)參考系區(qū)域和禁止區(qū)域的接觸面設(shè)為INTERFACE類型，以保證計(jì)算過(guò)程中兩區(qū)域之間能量傳遞；計(jì)算收斂判斷依據(jù)為各變量殘差絕對(duì)值小于10-5.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖7為攪拌器工作表面靜壓p分布情況，紅色表明此處?kù)o壓較大，藍(lán)色則反之.轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣處?kù)o壓大于背面，因此背面相對(duì)速度較大.槳葉出口處的靜壓分布呈中心對(duì)稱，這歸因于雙曲面攪拌器的槳葉均勻布置在轉(zhuǎn)盤(pán)表面，使得攪拌器能穩(wěn)定工作.由圖7可以看出，疊加槳葉攪拌器深紅區(qū)域面積遠(yuǎn)大于單槳葉攪拌器，說(shuō)明其更有利于形成高強(qiáng)度的射流.

圖7 攪拌器工作表面靜壓分布

雙曲面攪拌器的槳葉的橫截面積自上而下逐漸變大，在轉(zhuǎn)盤(pán)X=0.75 m處靠近轉(zhuǎn)盤(pán)末端且橫截面大小與末端相近，此處截面包含了轉(zhuǎn)盤(pán)和槳葉2個(gè)部分，便于準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)流出轉(zhuǎn)盤(pán)的射流狀態(tài).圖8為2個(gè)雙曲面攪拌器在相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)盤(pán)X=0.75 m處Y-Z截面速度v矢量圖，箭頭方向?yàn)榱魉俜较?在攪拌過(guò)程中，沿轉(zhuǎn)盤(pán)表面運(yùn)動(dòng)的水體被迎水面擋住，并沿徑向射出攪拌器，上層水體掠過(guò)槳葉形成螺旋射流沿徑向射出，此射流的強(qiáng)度是影響攪拌器徑向攪拌范圍的關(guān)鍵，經(jīng)Fluent計(jì)算，單槳葉池內(nèi)平均流速為0.570 m/s，疊加槳葉池內(nèi)平均流速為0.710 m/s.單槳葉攪拌器在XD=0.75 m處射流強(qiáng)度WD=0.30 J/kg，疊加槳葉攪拌器在XDJ=0.75 m處射流強(qiáng)度WDJ=0.53 J/kg.在單槳葉攪拌器迎水面附近，分別由圖8a，8c可以看出，由于單槳葉攪拌器迎水面垂直于流體流速，水流垂直撞擊槳葉，流體動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為靜壓，在迎水面和背水面交界處形成約4 000 Pa的壓力差，巨大的壓力差使得小范圍內(nèi)水體快速掠過(guò)槳葉上表面，在背水面形成旋渦.對(duì)比結(jié)合圖8a，8c可以看出，單槳葉背水面的旋渦呈圓臺(tái)狀，圓臺(tái)底部半徑過(guò)大，部分水流回流到迎水面，這些回流水流與被迎水面加速的水體撞擊，從而損失大量能量，改為疊加槳葉后背水面垂面，迎水面為螺旋線的凹側(cè)且與轉(zhuǎn)盤(pán)呈銳角的斜面且背水面后增加一斜面可對(duì)攪拌后的水體起到整流作用，增大了攪拌器的徑向攪拌范圍.

圖8 X=0.75 m處槳葉附近速度矢量圖

圖9為攪拌池頂部壓力云圖，紅色區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū)，反之為藍(lán)色.圖10為2種攪拌器Y=0 m截面速度矢量圖，可以看出2種攪拌器工作時(shí)在攪拌池內(nèi)均生成了多個(gè)軸向攪拌流場(chǎng)，在單槳葉的流場(chǎng)內(nèi)主要有2個(gè)旋渦，這是因?yàn)樗w做離心運(yùn)動(dòng)，沿轉(zhuǎn)盤(pán)徑向高速流出后，受重力影響沖擊池底時(shí)產(chǎn)生附壁現(xiàn)象，然后沿壁面向上運(yùn)動(dòng).

圖9 攪拌池頂部壓力云圖

圖10 2種攪拌器Y=0 m截面速度矢量圖

在攪拌池頂部，由于中心區(qū)域流速大于池壁處流速，結(jié)合圖9攪拌池頂部壓力云圖可知，水體順壓力差沿螺線向池中心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繼續(xù)向轉(zhuǎn)輪區(qū)域流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)使得中心液面下凹形成旋渦，導(dǎo)致空氣混合入水體，影響混合效果，但池中心上部由于距離攪拌器較遠(yuǎn)，此處水流接收到的能量少，流速較低，空氣混合進(jìn)水體效率低，故污水表面復(fù)氧程度不大.大尺度渦邊界上形成剪切力，能量不斷傳遞，在豎直方向上形成一個(gè)完整的渦流.

在疊加槳葉流場(chǎng)內(nèi)主要存在4個(gè)旋渦，是由于水體沿轉(zhuǎn)盤(pán)徑向流出時(shí)速度過(guò)大，散射出轉(zhuǎn)盤(pán)的水體直接撞擊攪拌池壁面，分為2層，上層掃掠墻壁高速向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)水池表面后順壓力差流向攪拌軸；下層水體因流速不足而向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)墻壁后沿池底返回至攪拌區(qū)域，形成上下2個(gè)渦流.轉(zhuǎn)盤(pán)下部分小渦貼近池底，且流速較大，增強(qiáng)了攪拌器下方流體的湍動(dòng)能，池底不斷被高速水流沖刷，有效防止了淤泥沉積和聚集.

表2 各截面平均流速

圖11 2種攪拌器底部不同截面速度沿徑向變化

圖12為各安裝高程H下中心截面速度云圖，高速為紅色，低速為藍(lán)色.由速度云圖可以看出，攪拌池內(nèi)流速與攪拌器安裝高程呈不規(guī)則變化.當(dāng)攪拌器安裝過(guò)高時(shí)，攪拌池內(nèi)水體流速明顯降低，這是由于轉(zhuǎn)盤(pán)中射流出的水體在向池底運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中因受黏滯阻力影響，損失大量能量.在圖12e中點(diǎn)A處流速為5.64 m/s，在池底點(diǎn)B處流速為0.28 m/s.

在圖12c中點(diǎn)C處流速為5.03 m/s，在池底點(diǎn)D處流速為0.57 m/s.對(duì)比各速度云圖高亮區(qū)域面積，優(yōu)選出H=0.9 m，H=1.0 m，H=1.1 m這3種安裝高程.

圖12 不同安裝高程中心截面速度云圖

圖13 Z1到Z2參考線示意圖

圖14 不同安裝高程下Z1到Z2區(qū)域湍動(dòng)能比較

表3 不同安裝高程下Z1到Z2區(qū)域湍動(dòng)能k

3 結(jié) 論

1) 射流方向是影響攪拌器攪拌范圍的重要因素，對(duì)射出轉(zhuǎn)盤(pán)的螺旋射流提前進(jìn)行整流可以有效提升攪拌器的攪拌范圍.雙曲面攪拌器槳葉的迎水面作為直接與來(lái)流撞擊的面，其最優(yōu)應(yīng)為螺旋線的凹側(cè)且與轉(zhuǎn)盤(pán)呈銳角的斜面，背水面最優(yōu)為與轉(zhuǎn)盤(pán)垂直的垂面.背水面后增加一斜面可對(duì)加速后的水體起到整流作用，為雙曲面攪拌器整流提供一種新的方法.

2) 疊加槳葉攪拌器工作時(shí)，高速水流不斷沖刷池子底部，有效增加了池底平均湍動(dòng)能，減少了低速區(qū).此種疊加槳葉的設(shè)計(jì)方法可以作為一種新的雙曲面攪拌器優(yōu)化方案，為工程實(shí)際提供參考.

3) 當(dāng)雙曲面攪拌器的槳葉為疊加槳葉，安裝高程H=1.0 m時(shí)，池內(nèi)平均流速達(dá)到0.710 m/s，較優(yōu)化前高0.140 m/s;攪拌池底部區(qū)域平均湍動(dòng)能達(dá)到0.021 J/kg，較優(yōu)化前高0.008 J/kg.因此，疊加槳葉安裝高程為1.0 m時(shí)流態(tài)最優(yōu)，攪拌效果最好.