進(jìn)口氣速對水力噴射空氣旋流器內(nèi)湍動能分布影響

李文生,謝辛娟,張 昊,邱發(fā)成

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054)

0 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境污染，特別是水生態(tài)環(huán)境污染問題，已成為制約著我國經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。在水污染治理領(lǐng)域中，氨氮廢水的排放量遠(yuǎn)高于受納水體環(huán)境的容量，并超過COD，成為地表水體的主要污染源，是影響我國水生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題[1]。氨氮廢水大量排入水體，不僅會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、黑臭，過高的氨氮甚至可能激發(fā)水域內(nèi)生物的熵變，毒害生物[2]。為此，氨氮廢水的資源化與無害化處理已成為水治理領(lǐng)域中的關(guān)鍵工作。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)對氨氮廢水處理方面開展了較多研究，包含生物法、物理法和化學(xué)法等多種處理工藝。其中，物化吹脫法由于具有設(shè)備簡單、易于操作、氨氮廢水處理效果穩(wěn)定、氨氮可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)外高濃度氨氮廢水資源化預(yù)處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。在高濃度氨氮廢水的實(shí)際吹脫過程中，其傳質(zhì)與分離過程的相互耦合模式常影響著處理進(jìn)程的成效[4]。為此，團(tuán)隊(duì)從液體射流與氣體旋流耦合的角度出發(fā)，開發(fā)了處理水力噴射空氣旋流器[5]。

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程

1.1.1雷諾應(yīng)力模型

(1)

DT, jj+Pij+φij+εij

(2)

ρ為流體的密度。上式(2)中左邊公式兩項(xiàng)依次表示為瞬態(tài)項(xiàng)和對流項(xiàng)。上式(2)的右邊四項(xiàng)式子，依次表示為湍流擴(kuò)散項(xiàng)、壓力產(chǎn)生項(xiàng)、壓力應(yīng)變項(xiàng)和耗散項(xiàng)，其具體表達(dá)式見文獻(xiàn)[16]。

1.1.2VOF模型

為了精確地獲得水力噴射空氣旋流器內(nèi)復(fù)雜的氣液兩相流動行為，采用了VOF模型對其進(jìn)行描述[17]。研究表明，VOF模型[18]可以較好地描述該復(fù)雜的相界面流動情況，并且能夠獲得較好的湍動分布規(guī)律。該VOF模型中主要采用氣液兩相界面的體積分?jǐn)?shù)方程對相分布規(guī)律進(jìn)行描述，其體積分布方程如下：

(3)

式中：式右邊中的mpq為第p相流體向q相流體進(jìn)行質(zhì)量傳遞。同理的，mqp為第q相流體向p相流體進(jìn)行質(zhì)量傳遞。此外，αq為第q相流體的體積分?jǐn)?shù)，sαq為第q相流體的源定義項(xiàng)。

控制流域內(nèi)流體的動量方程如下：

▽[μ(▽u+▽uT)]+ρg+F

(4)

式中:F為氣液兩相流中表面張力產(chǎn)生的動量方程源相。該式子的物理表達(dá)方程，可根據(jù)Brackbill[19]提出的連續(xù)表面模型(CSF)得出，其具體的表達(dá)式如下：

(5)

式(4)-(5)中：αg、αl分別為整個(gè)流域中氣相空氣和液相水所占的體積百分比。F為表面張力的等價(jià)體積力形式；t為時(shí)間；p為壓強(qiáng)；μ為流體動力黏性系數(shù)。

1.2 模擬條件與模型驗(yàn)證

前期已對水力噴射空氣旋流器射流霧化過程、壓力、耦合空間處流場等進(jìn)行了研究，本部分主要考察進(jìn)氣速度對WSA內(nèi)湍動行為的影響。因而，本部分工作的采用模擬邊界條件、網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)、網(wǎng)格無關(guān)性以及模型驗(yàn)證都與文獻(xiàn)[10]保持一致，具體見文獻(xiàn)[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 豎直平面上的湍動能分布

為了深入探究射流與旋流耦合作用下兩相流動過程中湍動行為變化，主要考察不同進(jìn)口氣速下(12.44、14.22、16.89 m/s)，不同平面處湍動能分布情況。一般來講,湍動能是湍流速度漲落方差與流體質(zhì)量乘積的1/2，湍流動能k的公式可表示為：

(6)

式中：u表示平均速度；I表示湍流強(qiáng)度。

如圖1所示，湍動能的分布具有一定的相似性，即在WSA的溢流管與旋流器壁之間，環(huán)隙區(qū)域沿徑向的湍動能變化不大，而在溢流管區(qū)域出現(xiàn)較大的特征分布。特別地，在溢流管底部下軸向位置上，湍動能分布具有相似性，呈兩邊高、中間低的不對稱鞍形[20]。隨著進(jìn)口氣速的增加，這種“不對稱鞍形”的特征更為明顯，且溢流管中上段也出現(xiàn)了局部小區(qū)域的較大值湍動能分布。一般來講，對于單旋風(fēng)進(jìn)口來看，常常會在旋風(fēng)進(jìn)口的背風(fēng)面存在一定區(qū)域的回流區(qū)，這種區(qū)域的分布可能會引起湍動能的變化。如圖1箭頭所指區(qū)域，隨著進(jìn)口氣速的增加，湍動能在旋風(fēng)進(jìn)口背面區(qū)域由無區(qū)域分布到出現(xiàn)區(qū)域分布，在氣速等于14.22 m/s時(shí)湍動能的分布區(qū)域最大。

圖1 在豎直平面上的湍動能分布云圖

2.2 不同水平面上的湍動能分布

為了深入探究WSA內(nèi)湍動能的分布特性，本部分工作考察了旋流與射流耦合空間的上(Z=40 mm)、中(Z= 86.8 mm)、下(Z= 118 mm)3個(gè)層面的情況進(jìn)行模擬分析。如圖2所示，WSA內(nèi)壁與溢流管外壁的環(huán)隙區(qū)域沿徑向方向的湍動能分布相似且分布特征不明顯。對于溢流管所在平面來看，接近溢流段底部區(qū)域的湍動能明顯較大，沿軸向向上方向逐漸減小。接下來，還考察了上述平面的速度適量分布，旨在為湍動能研究提供指導(dǎo)。如圖3所示，溢流管內(nèi)流體流動向上，且速度的較大值分布也出現(xiàn)在該區(qū)域。隨著氣速增加，在溢流管區(qū)域的速度也逐漸增加，而WSA內(nèi)壁與溢流管外壁的環(huán)隙區(qū)域速度的增加幅度不大。這也與湍動能分布特征基本相似。為了研究兩相流動體系中氣含率分布與湍動能分布的相關(guān)性，考察了不同水平面處的氣含率分布情況。如圖4所示，射流柱在旋風(fēng)作用下發(fā)生一定斷裂、破碎等行為，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2個(gè)平面的溢流管外壁出現(xiàn)了一定的氣相分布。然而在相同位置處的湍動能分布中未出現(xiàn)相應(yīng)的特征分布。

圖2 不同水平面內(nèi)的湍動能分布云圖

圖3 不同水平面內(nèi)的速度適量分布云圖

圖4 不同水平面內(nèi)的氣含率分布云圖

2.3 不同氣速條件下湍動能的空間分布

為了更加直觀地研究WSA內(nèi)的湍動能分布，考察了反應(yīng)器內(nèi)部湍動能的三維空間分布特征，如圖5所示。具體來看，主要考察了不同氣速條件下湍動能等于5、10、15、20 J/kg的三維空間分布情況。如圖所示，在相同氣速條件下，隨著湍動能等值面的增加，湍動能的分布區(qū)域逐漸縮小，符合湍動能的分布規(guī)律?？偟膩砜?，溢流管與WSA之間的環(huán)隙空間內(nèi)湍動能沿徑向方向的分布區(qū)域明顯小于溢流管內(nèi)。從圖5(a)中等值面等于20 J/kg可以看出，較大的湍動能主要分布在溢流段底部區(qū)域。同時(shí)，隨著等值面數(shù)值的不斷增加，溢流管內(nèi)的湍動能分布區(qū)域逐漸減少。隨著進(jìn)口氣速的增加，溢流管的湍動能明顯增加。研究表明，湍動能來源于時(shí)均流，主要依靠雷諾切應(yīng)力做功供給湍流進(jìn)而提供能量[19]。結(jié)合WSA內(nèi)湍動能分布規(guī)律，可以看出溢流管區(qū)域內(nèi)的湍流從時(shí)均流中獲得的能量較多，也就是時(shí)均流在該區(qū)域的能量損失于湍流的量較大，特別是在溢流管軸向向下段區(qū)域。

圖5 不同進(jìn)口氣速條件下湍動能在整個(gè)空間的分布云圖

3 結(jié)論

1) 在溢流管底部下軸向位置上湍動能分布具有相似性,呈兩邊高、中間低的不對稱鞍形。隨著進(jìn)口氣速的增加，這種“不對稱鞍形”的特征更為明顯，且溢流管中上段也出現(xiàn)了局部小區(qū)域的較大值湍動能分布。

2) 射流柱在旋風(fēng)作用下發(fā)生一定斷裂、破碎等行為，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2個(gè)平面的溢流管外壁出現(xiàn)了一定的氣相分布。在相同位置處的湍動能分布中未出現(xiàn)相應(yīng)的特征變化。

3) 溢流管區(qū)域內(nèi)的湍流從時(shí)均流中獲得的能量較多，也就是時(shí)均流在該區(qū)域的能量損失于湍流的量較大，特別是在溢流管軸向向下段區(qū)域。