劉書城，牛環(huán)寧，岳 鵬

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

氣浮技術(shù)是指將大量高度分散的微氣泡通入要處理的污染廢水中[1]，使它們可以成為載體，與雜質(zhì)絮凝物彼此粘附，從而達到固體和固體、固體與液體以及液體與液體分離的目的。氣浮技術(shù)在水處理工程中的應用廣泛，而壓力溶氣氣浮技術(shù)也普遍應用于氣浮過程。釋放溶氣水中的氣體，是壓力溶氣氣浮過程的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由溶氣釋放裝置完成[2]。通過溶氣釋放器生成平均直徑更小、直徑更平均且數(shù)量更多的微氣泡，是提升氣浮效率的一個重要途徑。

近年來，隨著多相流模擬技術(shù)的發(fā)展[3]，人們對壓力溶氣氣浮技術(shù)有了更進一步的認識。本文針對現(xiàn)有的TS型溶氣釋放器存在的內(nèi)流場壓力梯度小、壓降速度慢、出口處氣相速度過快等缺點，建立了釋放器模型，并改變了釋放器的出口直徑。運用FLUENT模擬軟件，對溶氣水流經(jīng)不同釋放器后的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力場、速度場及出口處速度分布進行了仿真分析，得到了釋放器的內(nèi)部壓力、速度分布云圖及出口處速度的分布圖，并對仿真結(jié)果進行了定性分析和定量分析，對現(xiàn)有釋放器結(jié)構(gòu)的改進及形成較優(yōu)質(zhì)量的微氣泡，具有一定的參考作用。

1 TS型釋放器的工作原理

TS型溶氣釋放器是同濟大學首創(chuàng)的壓力溶氣法專用釋放器[4-7]，工作原理為：壓力溶氣水進入孔口1，流道驟縮降低了部分壓能，增強了空氣分子的動能。接著溶氣水流入孔口2，與釋放器內(nèi)部的擋板碰撞，形成渦流，產(chǎn)生了急劇的湍流擾動從而繼續(xù)消能，同時降壓釋氣。當水流急速轉(zhuǎn)入平行圓盤的縫隙3時，擾動程度更為嚴重，并在4、5處形成了μm級的氣泡。此時，溶氣水的動能已損失95%左右，剩余動能在釋放器內(nèi)部繼續(xù)產(chǎn)生紊流，使得微氣泡僅在湍流擴散作用的影響下聚并，形成μm級的氣泡。至此微氣泡已完全成型，并從釋放器出口6處進行減壓釋放。

圖1 TS溶氣釋放器工作原理圖

2 釋放器模型的建立

參照工程實際中使用的TS-Ⅴ型釋放器，確定了模型，并采用Solidworks軟件，建立了釋放器的三維結(jié)構(gòu)模型[8-9]。改變釋放器的出口直徑分別為60mm、40mm、20mm，探究不同的出口直徑對釋放器的內(nèi)部壓力及速度分布的影響。釋放器模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 釋放器結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格劃分采用Meshing完成，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，采用四面體非結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，單元尺寸為0.8mm。網(wǎng)格劃分完成后，單元數(shù)量分別為739585、401847、141968，平均網(wǎng)格質(zhì)量為 0.88，符合 Fluent軟件仿真分析要求，劃分完成所得到的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 釋放器網(wǎng)格模型

3 計算步驟及參數(shù)選取

設置多相流模型為MIXTURE，主相設置為液態(tài)水，次相設置為空氣，體積分數(shù)設為10%。壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法，壓力離散采用PRESTO格式，湍流模型選擇相關(guān)性k-ε模型[10-11]。釋放器下端為溶氣水入口，上端為出口。在Y軸負方向添加重力9.81m·s-2。指定入口邊界為壓力入口，壓力值設為0.5MPa，出口邊界為壓力出口，壓力值設為0，湍流強度設為5%。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 釋放器的壓力場模擬分析

對不同釋放器的壓力場進行模擬分析，得到圖4的壓力云圖[12]。由圖4可以看出，壓力溶氣水從入口處進入釋放器內(nèi)部，先與凸型擋板碰撞產(chǎn)生折流效果，實現(xiàn)溶氣水的降壓消能，并在釋放器內(nèi)腔，通過與壁面的多次碰撞，達到溶氣水降壓釋氣的目的，最終從釋放器出口處流出。

圖4 釋放器內(nèi)部壓力分布云圖

當釋放器出口直徑為20mm時，釋放器內(nèi)部的壓降速度慢，容易造成溶氣水的降壓消能不徹底，釋氣效果不理想。隨著釋放器的出口直徑增大，釋放器在擋板處的壓降速度加快，溶氣水在流場內(nèi)部的壓差增大，壓降效果更為明顯，從而能更好地實現(xiàn)溶氣水在釋放器內(nèi)部的降壓消能，有利于生成大量的微氣泡。

4.2 釋放器的速度場模擬分析

對不同釋放器的速度矢量場進行模擬分析，得到圖5的速度矢量云圖。從圖5可以看出，出口直徑為20mm的釋放器，其出口端速度分布較為分散，高速區(qū)域集中于壁面兩側(cè)，中心區(qū)域相對壁面部分的流速較低，不利于溶氣水產(chǎn)生大小均勻且數(shù)量集中的微氣泡集群。隨著釋放器的出口直徑增大，釋放器內(nèi)腔中的溶氣水的流速增大，并在入口端附近形成了較為明顯的漩渦，說明溶氣水在釋放器腔內(nèi)的折流混返效果更明顯，有利于溶氣水與壁面發(fā)生碰撞，實現(xiàn)降壓消能并生成數(shù)量更多的微氣泡。且出口處的高速區(qū)域集中于中間部分，這樣有利于在主流區(qū)形成大小均勻、數(shù)量密集的微氣泡集群，從而具備更好的氣浮效果。

圖5 釋放器內(nèi)部速度分布云圖

4.3 釋放器出口氣相速度分布的模擬分析

對不同釋放器出口處的氣相速度分布進行數(shù)值分析，得到圖6的釋放器出口處氣相速度分布圖。從圖6可以看出，出口直徑為20mm的釋放器，其出口端的氣相分布較為稀疏，說明在出口端微氣泡的生成數(shù)量相對較少。出口端氣相的最高速度達到3.75m·s-1，出口速度較高，易導致生成的微氣泡在氣浮池內(nèi)的停留時間偏短，不利于微氣泡與水中的絮粒充分粘附，從而影響氣浮凈水效率。隨著出口直徑增加，釋放器出口端的氣相分布更為密集，說明溶氣水通過釋放器降壓消能而生成的微氣泡數(shù)目更多，從而有利于氣浮凈水過程中微氣泡與絮粒的充分粘附。當出口直徑達到60mm時，出口端氣相的最高速度為1.9m·s-1，低于小口徑釋放器的出口速度，有利于氣浮凈水過程中微氣泡在氣浮池內(nèi)充分停留，以便更好地粘附絮粒，實現(xiàn)更為優(yōu)良的氣浮凈水效果。

圖6 釋放器出口處速度分布圖

5 結(jié)論

對3種不同結(jié)構(gòu)的釋放器的內(nèi)部壓力、速度矢量云圖及出口處速度分布圖進行分析，得出如下結(jié)論：

1）隨著TS型釋放器的直徑增大，溶氣水在內(nèi)流場的壓降速度加快，壓差變大，從而能更好地實現(xiàn)溶氣水在釋放器內(nèi)部的降壓消能，有利于生成更多的微氣泡。

2）出口直徑為20mm的TS型釋放器，出口處的速度分布較為分散，隨著釋放器的出口直徑增大，釋放器內(nèi)部的流體速度增大，溶氣水的擾動更為劇烈，在出口處的速度分布更為集中，有利于生成大小均勻、數(shù)量集中的微氣泡集群，從而具備更好的氣浮凈水效果。

3）低口徑的TS型釋放器，降壓釋放生成的微氣泡數(shù)量相對更少，且出口端的氣相速度相對較大，不利于形成數(shù)量密集、在氣浮池內(nèi)的停留時間充足的微氣泡，而較大口徑的釋放器，不僅能生成數(shù)量更多的微氣泡，且出口處的氣相速度相對較低，微氣泡在氣浮池中的上浮速度較緩，不僅有利于生成足夠數(shù)目的微氣泡，而且有助于微氣泡在氣浮池內(nèi)部充分停留，對水中雜質(zhì)絮凝物的去除具有更好的效果。

綜上所述，適當增大溶氣釋放器的出口直徑，有利于形成數(shù)量密集、大小均勻、氣浮停留時間久的高質(zhì)量微氣泡，從而在氣浮凈水過程中獲得更好的凈水效率。