氣相體積對氣浮池內氣泡分布影響的數(shù)值模擬

代騰躍，王安爽，李　梅*，王兆東，孫中訓

（1.山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東濟南250101；2.青島汽車產業(yè)新城管理委員會，山東青島266217）

氣相體積對氣浮池內氣泡分布影響的數(shù)值模擬

代騰躍1，王安爽2，李梅1*，王兆東1，孫中訓1

（1.山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東濟南250101；2.青島汽車產業(yè)新城管理委員會，山東青島266217）

氣浮池的數(shù)值模擬研究有助于深入了解氣浮池內的流場和氣泡在流場中的運動狀態(tài)以及流場對固液的分離效果，從而優(yōu)化氣浮池運行條件。文章借助GAMBIT軟件對建立氣浮池的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，設置初始邊界條件和兩相流的模型，運用FLUENT軟件，分析了氣浮池內的流場以及氣相體積對池內氣泡分布的影響。結果表明：隨著氣浮池進水流量的減少，氣浮池內水流流態(tài)逐漸變好，當氣浮池進水流量為0.5 m3/h時，池內水流流態(tài)較好；隨著溶氣壓力的增大，氣浮池中的氣水比隨之增大，但增大程度逐漸變緩；溶氣壓力為0.35～0.40 MPa時，釋放的微氣泡量可均布氣浮池接觸區(qū)和分離區(qū)，氣泡與固體顆粒接觸充分，固液分離效果較好，滿足氣浮工藝對氣泡量的要求。

平流式氣浮池；數(shù)值模擬；氣相體積；氣泡分布

0　引言

溶氣氣浮技術早在20世紀90年代，廣泛應用于南非、德國、美國、日本、中國等許多國家，在給水和廢水處理方面均取得了良好的效果［1-6］。溶氣氣浮工藝處理低溫低濁水和高藻水，對除濁、除藻、除味效果尤為明顯。氣浮池的設計參數(shù)通常根據(jù)經(jīng)驗值確定，實驗方法雖然能得到真實可靠的結果，但是往往受到模型尺寸、流場擾動、測量精度的限制，依靠經(jīng)驗和實驗均不易使氣浮池結構優(yōu)化，進而影響出水效果［7-8］。氣浮池中水體的運動狀態(tài)，由于其復雜性和測量的困難，實驗往往只能給出部分參數(shù)，如水量、水流速度和水流的停留時間，物理模型試驗具有局限性［9］。隨著計算機技術及相關理論的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為一個強有力的輔助手段［10］。借助計算機技術和數(shù)值模擬—Fluent軟件［11-12］，通過Fluent軟件對氣浮池內的水流流動以及氣相體積對氣泡在池內的分布進行研究，可進一步了解流場以及氣泡在流場中的運動狀態(tài)，流場對固液的分離效果，從而提出合理的設計參數(shù)，可以優(yōu)化氣浮池的運行參數(shù)。

1　氣浮池數(shù)值模型的構建

1.1氣浮池的構造尺寸及模型的建立

采用平流式氣浮池，設計產水量Q為5 m3/h，回流比R為10%，因此總水量為5.5 m3/h；選用TS型釋放器，池內水力停留時間為15 min，水力負荷取33 m/h。設計的平流式氣浮池尺寸取0.65 m× 0.15 m×1.45 m。將平流型氣浮池簡化成二維物理模型。GAMBIT軟件具有幾何建模能力，可劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質量的網(wǎng)格。通過GAMBIT軟件對建立的氣浮池幾何模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

1.2控制方程

Fluent求解的基本控制方程包括連續(xù)性方程、能量方程和動量方程［13-14］。

圖1　氣浮池物理模型及網(wǎng)格圖

（1）連續(xù)性方程

連續(xù)性方程的微分形式可由式（1）表示為

式中：Sm為源項；ρ為混合物密度，kg/m3；μi為質量平均速度，m/s。式（1）適用于可壓流動和不可壓流動。

（2）動量方程

在慣性坐標系中，i方向上的動量守恒方程由式（2）表示為

式中：τij為應力張量，；p為靜壓；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

（3）能量方程

Fluent求解的能量方程由式（3）表示為式中：E為交界面上的能量源，它是由表面張力引起的。

1.3邊界條件和初始條件的設定

原水經(jīng)絮凝池后的進入氣浮池，該入口設置為進水口1，把回流水的出口設成氣浮池進水口2。氣浮后出水通過底部集水管收集，該處設置成出水口1，氣浮池頂與大氣接觸，該出口設置為出水口2。水的密度為998.2 kg/m3，動力黏度μ=0.001 Pa·s，加速度為9.8 m/s2。進水口1與出水口1均采用速度入口，具體參數(shù)如表1所示。進水口2邊界設置為壓力入口，相對壓力設置為0.4 MPa，回流比設置為10%。出水口2邊界采用壓力方式出水，相對壓力為0。

1.4求解器的設置

湍流模型選用標準的k-ε雙方程模型，SIMPLE算法，動量、能量、湍動能和湍流耗散率的離散格式均取一階迎風差分格式，根據(jù)上述設定，將殘差控制在10-6數(shù)量級，進行迭代計算直至收斂。

1.5兩相流模型的設置

進行“氣含率對氣浮池內氣泡分布的影響”模擬時是為了研究氣浮池中流場的情況，尤其是流場中微氣泡的含量與分布狀況。Mixture模型用于模擬各相有不同速度的多相流，也用于模擬有強烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度運動的多相流，選擇Mixture模型進行數(shù)值模擬［15］。

2　模擬結果與分析

2.1流場模擬結果和分析

分別考察流量為0.4、0.5和0.6 m3/h時，氣浮池內流場狀況。各工況計算參數(shù)見表1。

進水口1與出水口1均采用速度入口，進水口2邊界設置為壓力入口，回流比設置為10%，相對壓力設置為0.4 MPa。出水口2邊界采用壓力出口，相對壓力為0。

（1）流量為0.6 m3/h

進水流量為0.6 m3/h，回流水量為0.06 m3/h時，氣浮池中水流流向及流速大小，如圖2所示。

表1　各工況計算參數(shù)

圖2　流量為0.6 m3/h時，氣浮池內流場情況圖/（m·s-1）

從圖2中可以看出氣浮池中水流流向及流速大小，進水流量為0.6 m3/h，回流水量為0.06 m3/h時，進水口1與進水口2處水流速度均較大，兩接觸室內水流狀態(tài)相對較好，水流沿斷面的分布較均勻；第二接觸室擋板后和集水管上方產生明顯的回流的現(xiàn)象。

（2）流量為0.5 m3/h

進水流量為0.5 m3/h，回流水量為0.05 m3/h時，氣浮池中水流流向及流速大小如圖3所示。

由圖2和3可知，流量為0.5 m3/h時，進水口1與進水口2處水流速度較小，水流紊動較弱；與進水流量為0.6 m3/h時相似，兩接觸室內水流狀態(tài)相對較好，水流沿斷面的分布均勻，擋板對氣浮分離區(qū)水流狀態(tài)產生有利的影響，促進氣浮固液分離；第二接觸室擋板后和集水管上方有水流回轉現(xiàn)象；穿孔集水管處出水均勻，可降低出水抽吸現(xiàn)象，有利于絮體顆粒的氣浮分離。

（3）流量為0.4 m3/h

進水流量為0.4 m3/h，回流水量為0.04 m3/h時，氣浮池中水流流向及流速大小如圖4所示。

進水口處水流速度進一步減小；與進水流量為0.5 m3/h時相比，由于水流速度小，接觸室擋板后回流現(xiàn)象也消失，整體水流狀態(tài)更好。但相應的水處理負荷減小，處理能力減弱。

2.2氣泡分布模擬結果和分析

采用釋氣量測試裝置對氣浮系統(tǒng)的溶氣系統(tǒng)進行測試，設定溶氣水量為1 L，測定在不同壓力條件下的釋氣量，計算出不同壓力下的氣含率，見表2。

圖3　流量為0.5 m3/h時，氣浮池內流場情況圖/（m·s-1）

圖4　流量為0.4 m3/h時，氣浮池內流場情況圖/（m·s-1）

表2　溶氣壓力與氣含率對應表

從表2可看出，水中氣含率隨溶氣壓力的增加而增加。試驗過程中，控制溶氣壓力在0.3～0.5 MPa，依據(jù)試驗中所得出的氣含率與壓力的關系，針對氣浮池回流水，相應的選取四種氣含率工況0.04、0.05、0.06和0.07，對四種工況下氣浮池內微氣泡的分布情況進行了計算機數(shù)值模擬。氣浮池邊界條件做了如下設置：進水口1進水流量為0.5 m3/h，速度為0.173 m/s，回流比為10%；進水口2進水流量為0.05 m3/h，氣泡直徑為100 μm。四種不同工況的進口斷面氣含率分別為4%、5%、6%和7%的條件下，氣浮池內氣泡體積分數(shù)分布圖，如圖5所示。

圖5　不同氣含率條件下，氣浮池內氣泡體積分數(shù)分布圖

隨著溶氣壓力的變化，氣泡的大小會隨之發(fā)生變化，溶氣罐壓力越大則氣泡越小，而釋放的氣體量會越多。從圖4可以看出，隨著氣含率的增大，氣泡在氣浮池中的量越多，分布也越均勻。氣體含量多，相應的氣固比也越高，氣泡與顆粒物的碰撞粘附幾率變大，對顆粒物的去除作用和對有機物的吸附作用也變大，氣浮效果變好。由表2可知，當壓力高于0.35 MPa，氣水比增強效果逐漸變緩，相應的氣含率達到0.045，釋放的微氣泡量基本上滿足氣浮對氣體量要求。氣含率繼續(xù)增大，過多的溶氣量無法繼續(xù)增強處理效果反而會出現(xiàn)氣泡合并變大情況，對氣浮處理效果不利。因此，氣浮溶氣壓力宜選用0.35～0.40 MPa。

3　結論

通過上述研究可知：

（1）氣浮池進水流量為0.5 m3/h，模擬結果看出氣浮池進水口處水流速度較大，接觸室內水流沿斷面的分布較均勻，擋板對氣浮分離區(qū)水流狀態(tài)產生有利的影響，穿孔集水管的方式，使氣浮池出水均勻，不易產生抽吸，有利于絮體顆粒的氣浮分離。

（2）氣浮池氣水比的數(shù)值模擬結果可得出，隨氣含率的增大，氣浮池內氣泡的量越多，氣泡分布越均勻。溶氣壓力在0.35～0.40 MPa時，氣泡與固體顆粒接觸充分，固液分離效果較好，氣泡含量基本能滿足氣浮對氣體量要求。

［1］ 潘忠賢.高效淺層氣浮系統(tǒng)處理衛(wèi)生紙抄造白水的研究及應用［D］.南寧：廣西大學，2009.

［2］ Goula A.M.，kostoglou M.，karapantsios T.D.，et al..A CFD methodology for the design of sedimentation tanks in potable water treatment.Case study：the influence of a feed flow control baffle［J］.Chemical Engineering，2008（140）：110-121..

［3］ 王靜超，馬軍.浮沉池中斜板裝置對氣浮運行效果的影響研究［J］.中國給水排水，2008，24（7）：92-95.

［4］ 劉善培，王啟山，何文杰，等.混凝/氣浮與混凝/沉淀工藝處理微污染原水的對比［J］.中國給水排水，2007，23（9）：89-91.

［5］ Liu F.Z.，Gao H.J.，Qiu J.B，et al..Networked multirate output feedbackcontrolforsetpointscompensationandits application to rougher flotation process［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（1）：460-468.

［6］ 高雪，付樂，陳才高，等.高效淺層氣浮工藝除藻效能研究［J］.中國給水排水，2014，30（22）：7-10.

［7］ 王培艷.平流型加壓溶氣氣浮水處理的研究［D］.鄭州：鄭州大學，2013.

［8］ 李俊，薛群祥，何長明，等.氣浮技術用于含油污水處理的研究進展［J］.廣東化工，2015，42（7）：103-104，85.

［9］ Edzwald J.，Haarhoff J..Dissolved air flotation for water clarification［M］.Clarification：McGraw Hill Professional，2011.

［10］陳佳.側進式攪拌反應器內均相及多相流體動力學的數(shù)值研究［D］.上海：華東理工大學，2013.

［11］王福軍.計算機流體動力學分析：CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［12］安呈泰，王占金，張克峰，等.計算流體力學理論在氯接觸池優(yōu)化設計中的應用進展［J］.凈水技術，2015，34（2）：14-19，25.

［13］Karimi M.，Akdogan G.，Bradshaw S.M..A CFD-kinetic model for the flotation rate constant，Part II：Model validation［J］. Minerals Engineering，2014（69）：205-213.

［14］肖軍偉.沉淀池的數(shù)值模擬與參數(shù)影響分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［15］張海軍.浮選柱的自吸封閉式泡沫輸配研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2009.

Numericalsimulation of the effect of gas-phase volume for bubble distribution in a horizontal flow air flotation tank

Dai Tengyue1，Wang Anshuang2，Li Mei1，et al.

（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Qingdao New Management Commitee of Automobile Industry，Qingdao 266217，China）

Numerical simulations of a horizontal flow air flotation pool were conducted using FLUENT software to investigate the flow field in an air flotation tank，the motion state of air bubbles in the flow field，the effect of solid-liquid separation in the flow field，and to optimize operating conditions of the flotation tank.Geometrical modeling of the flotation pool was meshed by GAMBIT software，setting the initial boundary conditions and model of two-phase flow.The flow field and effect of gas-phase volume for bubble distribution in the air flotation tank were observed by operating the FLUENT software.The simulation results show that the flow regime in the pool gradually getting better with fewer water flow，while the water flow rate was fixed to 0.5 m3/h.The gas-water ratio increase with the increase of dissolved air pressure，and the enhancement effect gradually warming.When dissolved air pressure 0.35～0.40MPa，the gas-water ratio to 0.05～0.07 and the quantity of micro-bubbles distributed evenly over contacting zones and separation zones in flotation and able to meet the requirements of DAF.

horizontal flow air flotation tank；numerical simulation；gas-phase volume；bubble distribution

TU991

A

1673-7644（2016）04-0372-06

2016-06-13

水體污染控制與治理重大專項（2012ZX07404-003）

代騰躍（1989-），男，在讀碩士，主要從事水處理理論與技術等方面的研究.E-Mail：1030136284@qq.com

*：李梅（1968-），女，教授，博士，主要從事水處理理論與技術等方面的研究.E-mail：limei@sdjzu.edu.cn