陳從平，何枝蔚，鄧揚(yáng)，徐道猛，李游

射流曝氣機(jī)內(nèi)部流動三維數(shù)值模擬與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

陳從平1,2，何枝蔚1，鄧揚(yáng)1，徐道猛1，李游1

（1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164 )

為了探究射流曝氣機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其引射氣體性能的影響規(guī)律，利用Fluent軟件，采用控制變量的方法對不同喉嘴距、喉管長徑比以及面積比下的射流曝氣機(jī)內(nèi)部流動進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了射流曝氣機(jī)內(nèi)部壓力、流速以及湍動能的仿真結(jié)果。通過對比分析可知，喉嘴距、喉管長徑比、面積比等都對射流曝氣機(jī)引射性能有一定的影響。在設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，當(dāng)喉嘴距為1.5、喉管長徑比為4、面積比為4.84時引射系數(shù)最大，曝氣機(jī)引射氣體性能最好。研究結(jié)果可為新型射流曝氣機(jī)的設(shè)計提供理論和實際參考。

射流曝氣機(jī)；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)參數(shù)；引射系數(shù)

作為一種高效傳質(zhì)與節(jié)能的水下曝氣技術(shù)，射流曝氣最早在20世紀(jì)40年代便應(yīng)用于工業(yè)污水處理[1]。其核心原理是利用狹小通道對氣流的約束作用，對水流造成強(qiáng)烈擾動和剪切，并利用它抑制氣泡的長大[2]。與傳統(tǒng)的自由曝氣相比，射流曝氣具有諸多優(yōu)點，如運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)節(jié)，且維修量小、適用性強(qiáng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對射流曝氣機(jī)進(jìn)行了深入研究，其中包括射流曝氣機(jī)部分參數(shù)研究、局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等[4-7]。影響射流曝氣器性能的因素主要包括工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)等[8]，在一定工作條件下，射流曝氣機(jī)的喉嘴距、面積比、喉管長徑比都會直接影響曝氣機(jī)引射性能。劉小芳[9]對射流曝氣機(jī)內(nèi)部二維流動過程做了模擬，驗證了多相流混合模型的正確性；陳維平等[10-11]采用二維數(shù)值模擬的方法研究了不同長徑比和噴嘴面積比對射流曝氣器流場以及流量比的影響。而關(guān)于射流曝氣機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其引射氣體性能的影響研究較少。射流曝氣機(jī)內(nèi)部流動屬于氣液兩相流動，它與管道內(nèi)氣液兩相流以及自摻水氣流有所不同，重點在于水射流與空氣的混合過程[12]。因此，本文應(yīng)用三維數(shù)值模擬[13]的方法對射流曝氣機(jī)內(nèi)部流動狀態(tài)進(jìn)行分析，研究射流曝氣機(jī)引射空氣性能，分析喉嘴距、面積比、喉管長徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對曝氣機(jī)引射性能的影響規(guī)律，確定最優(yōu)值。從而為設(shè)計新型射流曝氣機(jī)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計算模型

研究主要采用控制變量方式，將射流曝氣機(jī)部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗參數(shù)選擇在一定范圍內(nèi)，分別改變這些結(jié)構(gòu)參數(shù)來探究其對射流曝氣機(jī)引射性能的影響。參照文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計計算出的射流曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1、表1所示。

表1 射流曝氣機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 射流曝氣機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks軟件建立射流曝氣機(jī)內(nèi)部流域三維造型，并將模型導(dǎo)入到Ansys Mesh里面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在劃分網(wǎng)格時考慮到網(wǎng)格的大小對計算結(jié)果的影響，開始時采用較大的網(wǎng)格間距和較少的網(wǎng)格數(shù)，當(dāng)計算收斂后，為了讓結(jié)果更精確，對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的情況下最終生成30萬網(wǎng)格。圖2為劃分網(wǎng)格以后的模型。

1.2 控制方程的離散和求解設(shè)置

本文采用Fluent三維雙精度解算器，定義求解模型為壓力基、穩(wěn)態(tài)求解器；同時選擇多項流中的Mixture模型及標(biāo)準(zhǔn)-湍流方程和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，參考壓力設(shè)置為101325 Pa，并考慮重力的影響；動量、湍流耗散、湍流動能等設(shè)置為默認(rèn)的一階迎風(fēng)格式，松弛因子都設(shè)置為欠松弛因子以便收斂。初始化時，設(shè)置一定初始條件，設(shè)置迭代步數(shù)20000步。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

本文以水為主相、以空氣為次相，兩種流體的物性參數(shù)如表2所示。已知水流入口流量，則入口速度為：

式中：1為水流體積流量，m3/h；1為水流入口直徑，m。

故水流入口采用速度入口，水流速為4.2 m/s，空氣入口為壓力入口，為1個大氣壓，擴(kuò)散管出口設(shè)置為壓力出口，數(shù)值為一定背壓，其余邊界設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面。

表2 兩種流體的物性參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

在CFD-Post后處理軟件中建立中心軸線，可以得到射流曝氣機(jī)中心軸線上的壓力分布曲線，如圖3所示。當(dāng)工作水從噴嘴高速射出時，壓力能轉(zhuǎn)化為動能，由于水流速度很大，因而噴嘴處有一個很大的壓降。噴嘴出口處壓力小于大氣壓力，從而形成一定的真空度將外界空氣吸入吸氣室中。此后在喉管段壓力基本保持不變，而圖4中可以看出喉管出口壓力略低于喉管進(jìn)口處壓力，這是由于氣液兩相在喉管段發(fā)生劇烈摻混導(dǎo)致的能量損失?；旌狭鬟M(jìn)入擴(kuò)散管后，壓力有明顯回升，最終在出口處恢復(fù)到外面背壓。由于對該模型采用混合多相流模型計算出的壓力分布與以往研究結(jié)果較吻合，故說明該模型的選取和參數(shù)的設(shè)置是可行的。由圖5看出，在噴嘴出口和喉管入口貼近壁面處的湍動能最大，這是由于工作流體速度與被吸氣體流速不同，導(dǎo)致這一區(qū)域湍射流最紊亂。

圖3 中心軸線上靜壓分布

圖4 XOY平面壓力分布

圖5 XOY平面湍流動能分布

由圖6和圖7可以看出，工作流體的速度在噴嘴段逐漸增大，且在噴嘴出口中心處達(dá)到最大值，大約為19 m/s，此后在喉管段和擴(kuò)散管段又逐漸變小。這是由于流體在通過收縮噴嘴時將壓力能轉(zhuǎn)換為動能，導(dǎo)致流體速度急劇增大，同時壓力降低，最終在噴嘴出口處降到最低，且低于大氣的壓力，從而將氣體從外界吸入吸氣室中。當(dāng)氣液兩相在喉管的某一位置處混合均勻后，兩相流速度逐漸趨于一致，與圓管內(nèi)部流動狀態(tài)相符。此時空氣仍為連續(xù)的介質(zhì)，而水從連續(xù)的介質(zhì)被剪切成為不連續(xù)的介質(zhì)，形成一種水均勻分布于空氣的混合流，最后該混合流經(jīng)過擴(kuò)散管，將動能轉(zhuǎn)化為壓能，速度又不斷降低。從圖8可以看出，氣體從外界吸入后充滿整個吸氣室，隨后在水射流的作用下，進(jìn)入喉管并與水流摻混產(chǎn)生混合流，氣液兩相在喉管末端混合較為均勻，后經(jīng)擴(kuò)散管從出口排出。

圖6 中心軸線上速度分布

3 射流曝氣機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對性能的影響

3.1 性能參數(shù)

引射系數(shù)，也稱為噴射系數(shù)，是評價射流曝氣機(jī)性能的一個重要指標(biāo)[16]。一般認(rèn)為，引射系數(shù)越大，則效率越高，性能也越好[17]。在數(shù)值上等于引射空氣質(zhì)量流量與工作水質(zhì)量流量之比，即：

式中：Q1為工作水質(zhì)量流量，kg/s；Q2為引射空氣質(zhì)量流量，kg/s。

圖8 XOY平面空氣體積分?jǐn)?shù)

3.2 喉嘴距對射流曝氣器性能的影響

喉嘴距是指噴嘴出口斷面到喉管進(jìn)口斷面之間的直線距離，通常以噴嘴出口直徑的倍數(shù)來表示，一般在（0.5～2）的范圍內(nèi)。這段距離對曝氣機(jī)吸氣性能有一定妨礙作用，故通過改變喉嘴距來分析其對曝氣機(jī)引射性能的影響。在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)等與前文一致的情況下，分別對喉嘴距為0.5、、1.5、2、2.5的曝氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。

表3、圖9給出了射流曝氣機(jī)吸入氣體質(zhì)量流量與喉嘴距之間的關(guān)系?？梢钥闯觯S著喉嘴距的增大，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)喉嘴距為1.5時，引射系數(shù)達(dá)到最大，此時曝氣機(jī)性能最好，此后隨著喉嘴距繼續(xù)增大，曝氣機(jī)性能開始下降。這是由于，當(dāng)喉嘴距較小時，水射流與引射空氣兩相之間發(fā)生能量交換的時間短暫，造成引射空氣獲得動能較少，使吸入的空氣變少，當(dāng)喉嘴距增大使得兩相之間能量交換的時間增加，導(dǎo)致引射空氣所獲得的動能增加，故而吸入空氣質(zhì)量流量增加，使得曝氣機(jī)性能變好。但是，喉嘴距太大會導(dǎo)致水射流損失的能量增加，也會造成吸入空氣質(zhì)量流量減小。

表3 不同喉嘴距下射流曝氣機(jī)性能變化

圖9 不同喉嘴距對吸入空氣的影響

3.3 喉管長徑比對射流曝氣器性能的影響

喉管是射流曝氣機(jī)一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其長度不僅影響自身工作，還會對后面的擴(kuò)散管起到一定作用，通常以喉管的長徑比來研究曝氣機(jī)性能。取前文較優(yōu)的喉嘴距1.5、其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與前文一致的情況下，通過改變喉管長徑比來分析其對曝氣機(jī)性能的影響。分別對喉管長為22、42、62、82、102的曝氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。

表4、圖10給出了射流曝氣機(jī)吸入氣體質(zhì)量流量與喉管長徑比之間的關(guān)系。可以看出，隨著喉管長徑比的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且當(dāng)喉管長徑比為6時，引射系數(shù)達(dá)到最大，此時曝氣機(jī)性能最好。此后隨著喉管長徑比繼續(xù)增大，曝氣機(jī)性能開始下降。這是因為喉管太短則射流直接穿過喉管，起不到摻混的作用，未完成混合的兩相流在擴(kuò)散管中的能量損失增加；太長則會因為壁面的軸向剪切作用造成能量的損失，同時速度梯度也較大，從而使曝氣機(jī)的性能降低。

表4 不同喉管長徑比下射流曝氣機(jī)性能變化

圖10 不同喉管長徑比對吸入空氣的影響

3.4 面積比對射流曝氣器性能的影響

面積比是指喉管截面積與噴嘴出口截面積的比值，也是影響射流曝氣機(jī)吸氣性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了研究面積比變化對曝氣機(jī)性能的影響，可保持曝氣機(jī)的其它結(jié)構(gòu)尺寸不變，通過改變噴嘴直徑和喉管直徑的尺寸來分析其對性能的影響，本文通過改變喉管直徑并保持噴嘴直徑不變的條件下來研究面積比變化對曝氣機(jī)性能的影響。根據(jù)前一小節(jié)所得到的結(jié)論，在喉嘴距為1.5、喉管長徑比為4的情況下，分別采用喉管直徑為14 mm、18 mm、22 mm、24 mm、26 mm、29 mm對射流曝氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，與之相對應(yīng)的面積比為1.96、3.24、4.84、6、6.76、8.41。

表5、圖11給出了射流曝氣機(jī)吸入氣體質(zhì)量流量與面積比之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著面積比的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)面積比為4.84時，引射空氣質(zhì)量流量達(dá)到最大值，此時曝氣機(jī)性能最好，此后隨著面積比繼續(xù)增大，曝氣機(jī)性能開始下降。這是由于，當(dāng)面積比較小時，喉管的直徑相對較小，水流速度一直處于高速，喉管入口被水流完全覆蓋，使得氣液兩相不能充分接觸。當(dāng)面積比較大時，喉管內(nèi)的速度分布不均勻，氣液兩相在管內(nèi)的動量交換受阻，使引射空氣獲得動能較小，從而影響引射氣體的吸入。

表5 不同面積比下射流曝氣機(jī)性能變化

圖11 不同面積比對吸入空氣的影響

4 結(jié)論

本文建立了射流曝氣機(jī)的內(nèi)部流域三維數(shù)值模型，并通過數(shù)值仿真探究了射流曝氣機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其引射性能的影響，結(jié)果表明，本文模型的設(shè)計和仿真參數(shù)的設(shè)置是可行的，計算得到的射流曝氣機(jī)中心軸線上壓力和速度分布都符合其基本理論規(guī)律。在研究的結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，當(dāng)嘴距為1.5、喉管長徑比為4、面積比為4.84時結(jié)果最優(yōu)。仿真結(jié)果可以作為新型射流曝氣機(jī)設(shè)計的理論參考，并具有一定的現(xiàn)實意義。

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Three-dimensional Numerical Simulation of Internal Flow in Jet Aerator and Analysis of Key Structural Parameters

CHEN Congping1,2，HE Zhiwei1，DENG Yang1，XU Daomeng1，LI You1

( 1.College of Mechanical & Power Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

To explore the influence of the key structure of the jet aerator on its ejection performance, a series of three-dimensional numerical simulations of the internal flow of jet aerator under different length-to-diameter ratios of throat pipe, nozzle spacing and area ratios are carried out by using Fluent software through control varieties method, and the simulation results of the internal pressure, flow velocity and turbulent kinetic energy of the jet aerator are obtained. And the result of comparative analysis indicates that all of the three variables effect the ejection performance of the jet aerator; within the designed structural size range, the ejection performance is the best when the nozzle-spacing is 1.5, the length-diameter ratio of throat pipe is 4 and the area ratio is 4.84, which provides theoretical and practical reference for the design of the new jet aerator.

jet aerator；numerical simulation；structural parameters；ejection coefficient

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.001

1006－0316 (2020) 02－0001－06

2019－10－09

國家自然科學(xué)基金項目（51475266，流體微擠出/堆積制備組織工程支架過程形態(tài)調(diào)控機(jī)理究）；國家科技重大專項課題（2018YFC1903101，廢線路板器件智能拆解和分選技術(shù)研究與示范）

陳從平（1976－），男，湖北荊州人，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為3D打印、微電子制造、機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)及機(jī)電系統(tǒng)控制。