胡鈺賢,賈冬冬,郭亞兵,陳兵

(1.太原科技大學 環(huán)境與安全學院，太原 030024; 2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030009)

0 引言

倒傘型曝氣頭是廣泛應(yīng)用于氧化溝污、廢水處理工藝中的一種表面曝氣設(shè)備，具有良好的充氧、推流等作用。主要由電機、調(diào)速裝置和倒傘葉輪三個部分構(gòu)成。倒傘型曝氣頭是由電機驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)，曝氣池中流體在葉輪的旋轉(zhuǎn)推進作用下?lián)碛须x心力，從葉輪邊緣部分甩出，形成徑向流并與空氣接觸，從而帶進大量空氣以實現(xiàn)曝氣的效果的表面曝氣設(shè)備。倒傘型曝氣頭具備對氧化溝內(nèi)部充氧、攪拌和推流的作用。

倒傘型曝氣頭的開發(fā)與應(yīng)用最早是由國外公司提出，比較出名的公司有荷蘭DHV公司和Spaans Babcock bv公司、美國EIMCO公司等。荷蘭的Spaans Babcock bv公司自1970年生產(chǎn)Spaans-A型倒傘型曝氣頭，該曝氣頭由一個倒置的圓錐和8個葉片組成；后在此基礎(chǔ)上進行升級改造為Spaans-B型倒傘型曝氣頭。美國EIMCO公司主要生產(chǎn)Oxyrator型倒傘型曝氣頭。國內(nèi)倒傘型曝氣頭的發(fā)展時間雖較晚，目前業(yè)已研發(fā)出一些新型的倒傘型曝氣頭，如上海市政工程設(shè)計院設(shè)計的國產(chǎn)化的Simcor倒傘型曝氣頭和安徽國禎環(huán)保公司研發(fā)的1DS立式倒傘型曝氣頭等。倒傘曝氣頭在我國水廠廣為使用。但大多倒傘曝氣頭設(shè)備體積較大，很難找出理想場地進行試驗，設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化困難。通過ANSYS CFX仿真軟件對設(shè)備性能進行模擬，分析反應(yīng)器內(nèi)部流場的特征，通過改變倒傘型型曝氣葉輪的工況，得出最佳運行工況及設(shè)備參數(shù)；同時，數(shù)學模擬可以較為深刻的探究設(shè)備結(jié)構(gòu)的曝氣性能的影響機理，為實驗及設(shè)備優(yōu)化提供指導。

目前，國內(nèi)外多位許多研究者應(yīng)用仿真模擬軟件模擬流場，研究分析倒傘型曝氣頭驅(qū)動流場的水力學特征。1997年侯拴弟研究了攪拌槽內(nèi)三維流場實驗及數(shù)值模擬[1]。2004年AUBIN等[2]使用PIV(粒子圖像測速)測量了上下軸流式葉輪攪拌的充氣罐中的流量。2005年,LAAKKONEN等[3]研究了攪拌容器中氣液界面區(qū)域氣泡的分布。2008年,MONTANTE等[4]研究了攪拌槽內(nèi)的氣液流量和氣泡尺寸分布。2009年,許丹宇[5]采用CFD數(shù)值計算的方法研究了卡魯塞爾氧化溝工藝的污水—污泥兩相水力特性。2012年ACHOURI等[6]應(yīng)用三維CFD模型模擬研究了傾斜葉輪對流場的影響。2013年LAU等[7]研究了密集氣泡流中氣泡尺寸分布。2016年鄧志雄[8]就新型倒傘型表面曝氣機推流充氧機理及試驗進行了研究，利用有限元分析確定了一種曲面形狀受非等角對數(shù)螺旋線曲面約束的新型曝氣頭葉片。2017年MURGAN等[9]使用PIV和LIF(熒光粒子)研究了氣泡柱流的特征。以上研究，多是對容器罐中單一攪拌裝置對罐內(nèi)氣液兩相流流場的初步模擬研究，但對不同結(jié)構(gòu)曝氣頭驅(qū)動流場的變化問題及曝氣頭壓強分布情況沒有作深入對比研究。

本研究通過模擬分析氧化溝中兩種不同結(jié)構(gòu)的倒傘型曝氣頭附近流場中氣液兩相流場流動特性和葉輪背面壓強分布情況，探索復雜邊界條件下反應(yīng)器內(nèi)流場的模擬方法，為倒傘型曝氣頭的優(yōu)化研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 CFD模型

1.1 物理模型創(chuàng)建

依據(jù)幾何相似原則使用CFX前處理器的建模工具進行建模，如圖1所示為此次研究模擬所建小試模型Landy7(a)與Hubert(b)。Landy7與Hubert的結(jié)構(gòu)主要分別由7個和8個徑向分布均勻的直立葉片構(gòu)成，傘體直徑相等為0.3 m，其中Landy7傘體為封閉式的大葉片式倒傘型結(jié)構(gòu)和Hubert傘體呈開口式的倒置圓錐體。

(a)Landy7

(b)Hubert

所建葉輪模型相對位置在一個高為1.2 m，長和寬均為1 m的一個頂部開口的矩形曝氣池中，且葉輪均固定于池體中心位置，即葉輪幾何中心所在平面距池體距離為0.6m，且在幾何中心處建立三維坐標系，z軸垂直于紙面向里為正，如圖2所示。

(a)Landy7 單位：m

(b)Hubert

1.2 網(wǎng)格劃分

在CFX軟件中采用網(wǎng)格劃分模塊Meshing將建好的模型分別進行網(wǎng)格劃分。針對研究的模型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分方法，相較于以四面體或六面體為主導的網(wǎng)格來說，該方法劃分的網(wǎng)格能夠更好的適用于本研究的模型[10]。網(wǎng)格數(shù)量越多及質(zhì)量越高(網(wǎng)格質(zhì)量一般要求0.7～1，數(shù)值越高質(zhì)量越高[11])，則模擬計算結(jié)果越精確，但數(shù)量越多耗費時間越長，同時對計算機性能要求也越高。如圖3所示為曝氣池區(qū)域及葉輪網(wǎng)格劃分示意圖，網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量滿足此次模擬計算的要求。網(wǎng)格數(shù)及質(zhì)量見表1。

圖3 曝氣池區(qū)域及葉輪網(wǎng)格劃分

表1 兩種結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量

1.3 CFD模型方程

ANSYS CFX中提供了Eulerian-Eulerian(連續(xù)兩相流模型)和Lagrangian Particle Tracking(離散相模型)兩種多相流模型。依據(jù)研究模擬的問題，此次模擬計算將氣、液兩相視為連續(xù)兩相流問題，因此選擇的是Eulerian-Eulerian多相流模型中的自由表面模型(free surface model)，該模型屬于非均勻模型，且此次模擬不考慮氣液兩相間的質(zhì)量傳遞。動量的界面?zhèn)鬟f依賴氣液兩相之間的接觸面積，可用兩相α與β間單位體積的接觸面積Aαβ來表示:

Aαβ=|rα|。

(1)

流體的流動均遵循守恒定律，其守恒方程如下：

連續(xù)性方程：

(2)

式中：SMSα定義的質(zhì)量源項。

體積守恒方程：

(3)

動量方程：

-rαpα+·(rαμα(Uα+(Uα)T))+Mα+SMα,

(4)

式中：Mα為其他相作用在相α上的力；SMα為由外部質(zhì)量力引起的動量源項和定義的動量源項。

模擬過程中，流場屬于完全湍流的流動且曝氣頭驅(qū)動流場的水力學現(xiàn)象比較復雜，為了減少計算時間和保持計算精度，因此，模擬計算所選取的湍流模型為標準k-ε模型。

標準k-ε模型的輸運方程可表示為：

(5)

式中：Gk是k的產(chǎn)生項；Gb由浮力引起的生成項，此次模擬為不可壓縮流體，Gb和YM均為0。

在標準k-ε模型中，Cη=0.09，σε=1.3，σk=1.0,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

1.4 邊界條件

維持兩種結(jié)構(gòu)葉輪所處運行環(huán)境相同，對兩個曝氣裝置分別創(chuàng)建流體域(水和25 ℃空氣)和浸沒實體域(葉輪)，考慮到兩種結(jié)構(gòu)小試模型葉輪的臨界旋轉(zhuǎn)速度后，在葉輪周圍的移動區(qū)域使用“移動參考系”邊界條件，轉(zhuǎn)速設(shè)為n=140 r/min；葉輪浸沒深度為0.07 m，即葉輪幾何中心所在平面距水體表面的距離；選擇計算模擬的流體分析類型為非穩(wěn)態(tài)，將模擬流場分為靜止區(qū)域、葉輪區(qū)域以及葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動流體的流動區(qū)域；由于大氣壓力位于葉輪頂部，因此設(shè)置空氣入口的邊界條件為“靜壓入口”狀態(tài)，以及曝氣池頂部的“壓力出口”邊界條件，但不設(shè)置入口處的流體流速；同時設(shè)置無滑移的壁面邊界條件。通過BN等[12]的研究工作表明,此次對模型和邊界條件的選擇是可行的。

2 結(jié)果分析

葉輪的曝氣效果是判斷其性能的主要指標。Landy7和水體積分數(shù)等于1的等值面輪廓見圖4，從圖4可見，保持葉輪轉(zhuǎn)速恒定(n=140 r/min)，曝氣池中氣液界面隨時間的變化情況，可由水的體積分數(shù)等于1的等值面來表示。觀察可知，等值面逐漸擴散到池體底部，因此確保了流體的完全混合與自由表面存在氣體。

(a)Landy7

(b)Hubert

2.1 壓力分析

由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，葉片背側(cè)形成負壓區(qū)，曝氣時氣體被吸入該區(qū)域形成氣腔，通過葉片周圍的渦流將空氣截切并細化，并進行攪拌摻混。因此，在對曝氣頭的性能進行討論時，可通過分析葉輪上下產(chǎn)生的壓差來判斷曝氣效果。由于作用在葉輪上的大氣壓值不變，其負壓值越小，則所產(chǎn)生的壓差就越大，有助于更多的空氣與液體混合達到更佳的曝氣性能。此次模擬的兩種不同結(jié)構(gòu)曝氣頭所處環(huán)境相同，作用在上面的大氣壓值相等，可以分別通過分析兩種結(jié)構(gòu)葉輪驅(qū)動流場所產(chǎn)生的壓差來判斷其性能。圖5所示為兩種結(jié)構(gòu)葉輪背側(cè)壓強分布情況，由圖5可知，形成的負壓區(qū)主要集中在葉片附近區(qū)域，且Landy7與Hubert葉輪背側(cè)形成的最大負壓分別為3 132.735 Pa和16 179.507 Pa。觀察兩種結(jié)構(gòu)葉輪背側(cè)整體區(qū)域的壓強變化得出Landy7葉輪背側(cè)形成的壓差較大，由此可知該結(jié)構(gòu)的葉輪在曝氣池中曝氣性能較佳。

(a)Landy7

(b)Hubert

2.2 液相流場

對比兩種不同結(jié)構(gòu)曝氣頭驅(qū)動池內(nèi)流場的液相速度變化情況，結(jié)果如圖6～圖10所示。由圖6所示，在某一時間點過葉輪軸心截面(z=0)上，形成了伴有渦流存在的左、右雙循環(huán)的流場結(jié)構(gòu)。

(a)Landy7

(b)Hubert

分析兩種結(jié)構(gòu)曝氣頭對池體底部水體的推流狀態(tài)，在圖6所示圖(a)與(b)中各取一條x=-0.3 m的直線line1和line2，并觀察液相在線上的速度分布情況，結(jié)果如圖7所示。觀察圖中直線上的速度分布，其中由于line2大多位于同一渦流內(nèi)，速度整體呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的趨勢，且在靠近池底部分速度逐漸減小為0.008 m/s左右；渦流的復雜程度能夠體現(xiàn)出流場結(jié)構(gòu)的復雜性，對比圖6中兩個液相速度矢量圖，圖(a)中產(chǎn)生的渦流較為復雜，因此，Landy7的液相流場結(jié)構(gòu)復雜。在line1上有兩個明顯的同向逆時針方向的渦流存在，line1速度變化相對較大，液流動能較強，Landy7的大葉片式倒傘型結(jié)構(gòu)高速運動在葉片背側(cè)形成較大負壓區(qū)是此流場變化的主要原因。

圖7 Line1與line2水速度分布

同時葉輪旋轉(zhuǎn)時對液體表面的攪拌能力也能體現(xiàn)出其性能，圖8所示為Landy7與Hubert葉輪旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動水體自由表面上的速度分布情況，最大速度分別可達0.623 m/s和0.192 m/s，依據(jù)動量守恒定律，表面所產(chǎn)生的動能將隨著流動的水體逐步傳遞到下層水域中。觀察整個水體自由表面上的速度分布情況可知Landy7對其表面的攪拌能力較強，增加了下層水域水體的平均流速，圖9所示為y=-0.5 m處的平面水體速度分布情況，由圖9可知，對比兩種結(jié)構(gòu)葉輪，Landy7對該平面上水體的整體攪拌速度較大為0.254 m/s。因而該結(jié)構(gòu)葉輪較Hubert對曝氣池底部水體的推流能力更強。

(a)Landy7

(b)Hubert

(a)Landy7

(b)Hubert

圖10所示為葉輪下部中心區(qū)域(x=0 m，z=0 m)液相速度分布情況處，由圖可知，在靠近Landy7與Hubert葉輪中心區(qū)域水體速度較大，分別達到0.24 m/s和0.13 m/s左右，隨著深度的增加在靠近池底時水體整體流速分別逐漸減小為0.080 m/s和0.065 m/s左右，同時可得出Landy7葉輪推流水體的性能較后者高。注意到Hubert水流速度下降趨勢較平緩，而Landy7水流速度呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，由圖6(a)和圖7分析可知，是由于在y=-0.35～-0.10 m部分區(qū)域存在的渦流造成的影響。Landy7底部渦流存在，充分攪動了氧化溝底部流場，對氧化溝底部流場推動作用優(yōu)于Hubert曝氣頭。

圖10 葉輪下部中心區(qū)域速度分布(x=0 m，z=0 m)

3 結(jié)論

通過對以上兩種結(jié)構(gòu)葉輪的分析，可以得出葉輪轉(zhuǎn)速n=140 r/min時，Landy7葉輪所形成的壓差與Hubert相比較大，且Landy7葉輪對曝氣池中自由液面的攪動效果較大，最大速度達到0.623 m/s；同時Landy7葉輪對曝氣池底層的推流攪拌性能強于Hubert。綜合分析對比，大葉片式倒傘型結(jié)構(gòu)Landy7表曝機無論是在曝氣方面，還是在推流攪拌能力方面都表現(xiàn)出了良好的性能。

曝氣池及表面曝氣頭的運行過程較為復雜，此次研究模擬是按一定比例縮小的模型下進行的，雖有一定的局限性，但模擬結(jié)果具有較高的精確性，且不會影響曝氣頭驅(qū)動流場的大致趨勢。