葉片孔槽結構對曝氣機充氧性能的影響

劉鑫 魏晨宇 邢普 李康康 吳暉

【摘 要】為了研究在曝氣機葉片上開設孔槽結構對其充氧性能的影響，通過FLUENT軟件，采用VOF模型與標準k-ε湍流模型相結合的方法，對兩種葉片曝氣機驅動下的曝氣池流場進行了三維數(shù)值模擬。仿真結果表明兩種葉片曝氣機的推流能力相當;有孔槽結構葉片周圍的高湍動能區(qū)域明顯增加，同時氣液兩相交界面的面積增大，能在一定程度上提高曝氣機的充氧能力。

【關鍵詞】曝氣機;有限元分析;優(yōu)化設計

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：B

引言

氧化溝是一種運用廣泛的污水處理設備，它的主要作用是向污水中充入氧氣，氧化溝處理工藝作為城市污水和工業(yè)廢水處理中有較強競爭力的二級生物處理技術已被世界各國廣泛采用[1]。表面曝氣是氧化溝工藝中主要的曝氣方式，倒傘曝氣機具有良好的充氧效率和推流能力，在氧化溝工藝中應用最為廣泛。倒傘型葉輪曝氣機的主要充氧方式是通過攪拌，使氧化溝表層水面與空氣接觸充氧，上下層水體交換。同時，水躍及負壓產生的氣囊也是倒傘型曝氣機的充氧手段，目前倒傘曝氣機廣泛應用于Carrousel氧化溝[2]。

目前，卡魯塞爾（Carrousel）氧化溝在國內外廣泛使用[3][4]。國內外的許多學者也通過實驗與仿真的手段，通過改變曝氣機的幾何參數(shù)與運動參數(shù)，研究其對氧化溝充氧性能的影響[5-8]。然而，對曝氣機葉片開設孔槽結構的研究還鮮見報道?；凇胺暾樾尽崩碚?，本文對曝氣機葉片進行了開設孔槽結構的優(yōu)化設計，對有無孔槽結構的兩種曝氣機葉輪進行了仿真模擬，對兩種葉輪影響下的流場特性進行了分析，為后續(xù)曝氣機的優(yōu)化設計提供參考。

1.模型的建立與方案設計

為了研究兩種葉片對葉輪周圍流場的影響，本文建立了桶狀曝氣池模型。目的是研究曝氣機葉輪在高速轉動時，葉輪周圍的流場分布情況，并對兩種葉片影響下的流場進行對比分析。

使用的曝氣機葉片為一種新型曲面葉片曝氣機，葉片是按照對數(shù)螺旋線規(guī)律制作的弧形曲面葉片，如圖1-1所示，這種葉片有著更加強勁的推流能力[9-10]。

驅動曲線的方程為方程如下：

使用SLDWORKS軟件對葉輪進行建模，曝氣機葉輪最大直徑為90mm，高度為25mm，葉片數(shù)為6片，葉片傾斜角度為70°。兩種葉輪的對比方案如圖1-2所示，孔槽結構位于葉片對角線上，寬3mm，孔槽兩端與葉片上下邊的距離為5mm。傾斜孔槽結構的葉輪可以在3D打印制作時，不會因為材料浮空而發(fā)

曝氣池直徑為250mm，高度為200mm。葉輪上表面與曝氣池頂部的距離為100mm，坐標軸原點位于葉輪上表面的中心。曝氣機順時針方向旋轉，初始液面位于葉輪上方10mm處。

2.仿真分析計算

將曝氣池的內流場劃分為兩個計算域，葉輪附近的流場設置為旋轉域，其余區(qū)域設置為流場域。使用fluent meshing對網格進行劃分，最大網格尺寸設置為3mm，fluent meshing在進行網格劃分時，首先生成高質量的面網格，再將面網格轉化為體網格。生成體網格時，體網格轉換方式以六面體為主-多面體為輔的方式生成，在壁面上生成5層邊界層。這種方式生成網格可以減少網格數(shù)量。最后生成的網格總數(shù)量為40萬，旋轉域網格質量在0.35以上，流場域網格質量在0.8以上，滿足計算所需的網格質量要求。

計算時選用VOF自由液面模型與標準k-ε湍流模型，轉速設置為400r/min，流場數(shù)值計算方法選為SIMPLE算法，旋轉域與流場域的交界面設為“interface”面，曝氣池上表面設為壓力出口，其余壁面設為“wall”。并通過patch設置氣相與液相的范圍。時間步長設置為0.001，計算步數(shù)為1萬步。

3.模擬結果分析

曝氣機的充氧能力取決于三個方面：水躍現(xiàn)象;葉片的推流能力;葉片后方氣囊出的氣液交換。根據雙膜理論，空氣中的氧在從氣相轉移到液相的過程中，會受到來自液相膜的阻力，而在葉片高速旋轉時，葉輪附近的流場有著較高的湍動能，使得此處氣液兩相間的膜變薄，促進了氧的轉移。

流場達到穩(wěn)定狀態(tài)時，水平截面與豎直截面上的氣液兩相分布云圖與速度云圖，圖3-1（a）（b）（c）為普通曝氣機，圖3-1（d）（e）（f）為有孔槽結構葉片曝氣機。從圖3-1（a）（d）中可以看出，葉輪旋轉式會在葉片的后方形成氣囊，兩種葉片后方的氣囊大小相差不大，但圖3-1（d）中可以看出有一小部分液體會從孔槽結構中經過，進入到葉片后方氣囊中。從圖3-1（b）（e）中可以看出，葉輪周圍的液體呈V型分布，葉輪兩側液體到達最高點后會形成一層波浪向著壁面運動，從圖中可以看出兩種葉片推流的液體在葉輪兩側分布情況相同，且最高點的高度相差不大。速度云圖，開設孔槽結構沒有減小紅色高速度區(qū)域的面積，同時兩種葉片在不同深度的速度分布情況也大致相同。

由此可以得出，在葉片上開設孔槽結構并不會對葉片的推流能力產生明顯的影響。

對有孔槽結構葉片曝氣機設置氣相體積分數(shù)為0.9的自由液面，如圖3-2所示。葉片在高速旋轉時，大部分液體會被葉片推流出去，小部分液體會從葉片孔槽結構中穿過，與葉片后方的氣囊接觸。雙膜理論提出，氣液兩相的接觸面積的大小，決定了氧轉移的速率。葉片開設孔槽結構能有效的增加氣液兩相的接觸面積。因此可以認為葉片開設孔槽結構可以提高曝氣機的充氧能力。

4.結論

為了研究葉片孔槽結構對曝氣性能的影響，文中對曝氣機影響下的流場進行了仿真分析，從氣液兩相分布情況與湍動能兩個方面進行了分析，得出結論如下。葉片開設孔槽結構不會影響葉輪的推流能力，兩種曝氣機葉片后方氣囊的大小與曝氣池流場的速度分布情況相當，葉輪外圈的高湍動能的區(qū)域面積相差不大。有孔槽結構葉片曝氣機的流場中，部分液體會通過孔槽結構與葉片后方氣囊接觸，氣液兩相交界面的面積增加;每個葉片后方會多出一塊湍動能較高的區(qū)域，流場中高湍動能區(qū)域的總面積要大于原始曝氣機葉輪。在葉片上開設孔槽結構可以使曝氣機的充氧能力有一定程度的增強。

參考文獻：

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基金項目：

本文受國家自然科學基金項目（51768045）資助。