污水處理設(shè)備增氧推流裝置參數(shù)優(yōu)化研究

高來順，虞波，閔廣山

（揚(yáng)州澄露環(huán)境工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

作為污水處理絮凝物，活性污泥里存在一定的好氧微生物，可以有效吸附漂浮物，使有害物質(zhì)得到有效降解，以及部分有機(jī)物的氧化。但活性污泥僅在自然條件下難以有效分解有機(jī)物，為使微生物新陳代謝速度有所提高，使微生物分解能力有所加快，在該過程中需人工介入。可人工介入的過程為充氧曝氣階段，該階段可以將純氧或者空氣充入，使污水和氧氣充分接觸，以增強(qiáng)微生物的分解能力。

在充氧曝氣階段，水下曝氣機(jī)是核心單元，曝氣機(jī)的功能是否得以有效發(fā)揮對該階段的凈化效果有重要影響，其中，射流速度等是影響曝氣機(jī)工作效率的重要因素，因此，在研究污水處治技術(shù)時必須先對推流裝置的推進(jìn)效率進(jìn)行研究。

1 葉梢間隙對推進(jìn)效率的影響

以某增氧曝氣機(jī)為研究背景，其所用為導(dǎo)管螺旋槳為大側(cè)斜式。相比普通螺旋槳，該種導(dǎo)管螺旋槳有更大的推進(jìn)效率，因為其導(dǎo)管內(nèi)有較快的流體速度且壓力較低，導(dǎo)管管壁在內(nèi)外壓力差的作用下會形成一定的附加壓力，可使尾流有所減少，從而降低能量損失。此外，較小的葉梢間隙也可降低繞流損失。葉梢間隙結(jié)構(gòu)見圖1，以表示葉梢間隙，具體是指垂直于同一直徑方向上導(dǎo)管和梢圓的距離。

圖1 葉梢間隙示意圖

螺旋槳的推進(jìn)效率受到螺旋槳葉梢間隙和進(jìn)水速度的影響。當(dāng)導(dǎo)管螺旋槳處于水中時，固定進(jìn)口速度和轉(zhuǎn)速，改變?nèi)~梢間隙大小，可以得到隨葉梢間隙的變化螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的變化規(guī)律，同理，在固定葉梢間隙和轉(zhuǎn)速時，可以得到隨進(jìn)速變化螺旋槳推力等的變化規(guī)律。

1.1 葉梢間隙仿真及優(yōu)化

具體流程如圖2所示。

圖2 葉梢間隙優(yōu)化示意圖

基于所使用的導(dǎo)管類型螺旋槳，研究導(dǎo)管和螺旋槳的間隙。若葉梢間隙合適，將會使螺旋槳推進(jìn)效率得到有效提高。所依托的螺旋槳有184mm的直徑D，以螺旋槳直徑按倍數(shù)遞增的方式選取葉梢間隙，具體如表1所示。

表1 葉梢間隙數(shù)值（單位：mm）

所建立流體區(qū)域如圖3所示。

圖3 建立計算域

考慮到葉梢間隙的不同，所建立的計算域尺寸也會隨之不同，因此，從小到大一次定義葉梢間隙。如方案一里螺旋槳長度為0.114m、187.65mm的靜止區(qū)域直徑和1.84mm的葉梢間隙。

1.2 葉梢間隙對推進(jìn)效率的影響

所得結(jié)果如表2所示。

表2 不同間隙下螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)

從結(jié)果看，隨著不斷增加的葉梢間隙，螺旋槳推力系數(shù)不斷減小，在1.84的葉梢間隙下，螺旋槳推力系數(shù)為0.894，在9.20的葉梢間隙下，螺旋槳推力系數(shù)為0.619，有較大的降低幅度，此外，扭矩系數(shù)也從0.0250降低到0.0170，也有較大的變化幅度。該結(jié)果與現(xiàn)有研究規(guī)律基本一致。進(jìn)一步研究螺旋槳效率的變化規(guī)律可得出圖4所示結(jié)果。

圖4 螺旋槳效率與葉梢間隙的關(guān)系

螺旋槳推進(jìn)效率隨著不斷增加的葉梢間隙而逐漸降低，在6mm以上的葉梢間隙下，曲線斜率不斷降低，推進(jìn)效率減少程度有所緩慢，并在最后保持平穩(wěn)。

基于所得結(jié)論，在最優(yōu)原則的基礎(chǔ)上選擇以最小間隙為最終方案，但考慮到實際制作時加工工藝和變形等因素的影響，建議以0.25-0.05R作為葉梢間隙的選取原則。從最優(yōu)角度出發(fā)，選擇以0.025R的葉梢間隙作為研究對象，文中0.025R等于2.3mm，此時有186.6mm的導(dǎo)管直徑，螺旋槳有較高的工作效率。經(jīng)仿真分析可以看出，在2.3mm的葉梢間隙下螺旋槳有0.884的推力系數(shù)和0.0259的扭矩系數(shù)，而原模型有8mm的螺旋槳間隙，有0.656的推力系數(shù)和0.0182的扭矩系數(shù)，兩者相比之下，約有35%的推力提升和45%的扭矩提升，因此，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)比原有結(jié)構(gòu)有更高的推進(jìn)效率。后續(xù)將以改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)方案。

基于所確定的螺旋槳間隙，以螺旋槳的某一推力系數(shù)為背景，研究螺旋槳此時的受力及其周邊的流線和速度的分布狀況。以0.4作為進(jìn)速系數(shù)，可得在2.3mm的葉梢間隙下。

從結(jié)果看，在流體作用下螺旋槳槳葉出現(xiàn)一定的壓力差時，將會有流體流入螺旋槳入流口，在螺旋槳槳葉導(dǎo)邊處會出現(xiàn)最小速度，隨著螺旋槳槳葉流體隨邊流去時，水流速度會出現(xiàn)一定的增長，并從螺旋槳出流口中射流，使流速有所增加。對螺旋槳外側(cè)水壓力做出進(jìn)一步探討可知，在螺旋槳槳葉導(dǎo)邊位置有最小的速度和最大的壓力值，在從導(dǎo)邊流向隨邊時，速度不斷增加，導(dǎo)致葉背處的壓力有所降低以表現(xiàn)出低壓區(qū)，且葉背和葉面會有壓力差出現(xiàn)，進(jìn)而表現(xiàn)出朝著螺旋槳軸向的推力。

在模擬時，螺旋槳推力隨著不斷變化的迭代步數(shù)所表現(xiàn)的規(guī)律為：在轉(zhuǎn)動初期，螺旋槳推力很快到達(dá)最大值，而又較快下降，并在最后保持穩(wěn)定。螺旋槳推力很快達(dá)到峰值的原因在于螺旋槳開始旋轉(zhuǎn)時有較大的水流攻角。因此，在啟動初期不宜使用高速啟動，以避免有大攻角出現(xiàn)導(dǎo)致較大的旋轉(zhuǎn)阻力，使得設(shè)備出現(xiàn)超負(fù)荷的情況。

2 槳葉盤面比和螺距比的影響

2.1 槳葉盤面比

為對螺旋槳槳葉盤面比和推進(jìn)效率的聯(lián)系進(jìn)行研究，在固定螺旋槳葉梢間隙，僅變化槳葉盤面比的情況下，分析螺旋槳推進(jìn)效率。本文使用的是大側(cè)斜式螺旋槳，保持槳葉數(shù)目和葉梢間隙不變，在0.97～1.17的盤面比下開展研究。所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同盤面比水動力性能曲線

從結(jié)果看，在固定螺旋槳葉梢間隙和葉片數(shù)量的情況下，推力系數(shù)隨著不斷增加的螺旋槳進(jìn)速系數(shù)而不斷減小，而推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨著盤面比的不斷增大會隨之不斷增加，但盤面比的增長會在一定程度影響效率，螺旋槳推進(jìn)效率隨著不斷增大的盤面比而不斷降低。

2.2 螺距

探討導(dǎo)管螺旋槳槳葉在螺距比不同時的水動力性能。從文獻(xiàn)[9]可以知道，一般以0.63～1.5作為螺旋槳螺距比，本文以0.415～1.4作為螺旋比取值范圍。考慮到該處所用為導(dǎo)管槳，螺距比較大時應(yīng)和導(dǎo)管相匹配，從現(xiàn)有經(jīng)驗上看，加長導(dǎo)管僅會對導(dǎo)管螺旋槳性能造成較小影響，從文獻(xiàn)[10]可以知道，加長導(dǎo)管一般僅會有1%的影響，因此，在固定葉梢間隙的前提下，所用導(dǎo)管應(yīng)和螺距比相匹配，此處導(dǎo)管性質(zhì)通過導(dǎo)管長徑比參數(shù)表征。所得結(jié)果分別如圖6～8所示。

圖6 不同螺距比推力系數(shù)曲線

圖7 不同螺距比扭矩系數(shù)曲線

圖8 不同螺距比效率曲線

可以看出，當(dāng)進(jìn)速系統(tǒng)一定時，隨著不斷增大的螺距比，推力系數(shù)不斷增加。原因在于槳葉螺距角的增大會使槳葉和水流的接觸攻角也隨之增大，且槳葉前后速度差也會不斷增大，從伯努利定律可以知道，壓差的增加會增加螺旋槳推力。即在一定的進(jìn)速系數(shù)下，螺距比的增加會在一定程度上增加推力系數(shù)。

可知，隨著不斷增大的螺距比，扭矩系數(shù)也隨之增加，原因在于槳葉和流體攻角的增加會使得阻力也一并增加，而旋轉(zhuǎn)阻力又會產(chǎn)生一定程度的扭矩，因此增大了扭矩系數(shù)。

固定螺距比的情況下，隨著不斷增加的進(jìn)速系數(shù)，螺旋槳效率表現(xiàn)出先上升后降低的規(guī)律，在0.5的進(jìn)速系數(shù)下，隨著不斷增加的螺距比，效率隨著減小，在0.5以上進(jìn)速系數(shù)下，隨著不斷增大的螺距比，每條曲線最高效率不斷增加，當(dāng)螺距比遞增時，每條曲線的效率峰值也不斷增加。

3 結(jié)語

我國污水排量逐年提高，污水治理已經(jīng)不容忽視。水下曝氣機(jī)是典型的污水處理設(shè)備，其工作原理是在污水中融入氧氣，以使水中氧氣含量得到提高，以氧化分解污水中有害物質(zhì)，因此，曝氣機(jī)溶氧效率的增強(qiáng)是重點所在。本文通過數(shù)值模擬仿真分析的方式探討了增氧曝氣機(jī)的推流裝置各參數(shù)和推進(jìn)效率的聯(lián)系，以期為污水處理設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

（1）結(jié)構(gòu)效率在2.3mm的葉梢間隙下最高。此外，需注意設(shè)備不宜高速啟動，以避免產(chǎn)生超負(fù)荷。

（2）隨著不斷增大的盤面比，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均不斷增大，但結(jié)構(gòu)效率隨著盤面比的增大會有所降低。

（3）隨著螺距比的不斷增加，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均不斷增大，但螺旋槳效率則表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律。