射流曝氣機內部流動三維數(shù)值模擬與關鍵結構參數(shù)分析

陳從平，何枝蔚，鄧揚，徐道猛，李游

射流曝氣機內部流動三維數(shù)值模擬與關鍵結構參數(shù)分析

陳從平1,2，何枝蔚1，鄧揚1，徐道猛1，李游1

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

為了探究射流曝氣機關鍵結構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內部流動進行了三維數(shù)值模擬，得到了射流曝氣機內部壓力、流速以及湍動能的仿真結果。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引射性能有一定的影響。在設計的結構尺寸范圍內，當喉嘴距為1.5、喉管長徑比為4、面積比為4.84時引射系數(shù)最大，曝氣機引射氣體性能最好。研究結果可為新型射流曝氣機的設計提供理論和實際參考。

射流曝氣機；數(shù)值模擬；結構參數(shù)；引射系數(shù)

作為一種高效傳質與節(jié)能的水下曝氣技術，射流曝氣最早在20世紀40年代便應用于工業(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，如運行穩(wěn)定、可靠、結構簡單、便于調節(jié)，且維修量小、適用性強，因而得到了廣泛的應用[3]。

目前，國內學者對射流曝氣機進行了深入研究，其中包括射流曝氣機部分參數(shù)研究、局部結構的改進等[4-7]。影響射流曝氣器性能的因素主要包括工作條件和結構參數(shù)等[8]，在一定工作條件下，射流曝氣機的喉嘴距、面積比、喉管長徑比都會直接影響曝氣機引射性能。劉小芳[9]對射流曝氣機內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。而關于射流曝氣機關鍵結構對其引射氣體性能的影響研究較少。射流曝氣機內部流動屬于氣液兩相流動，它與管道內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，本文應用三維數(shù)值模擬[13]的方法對射流曝氣機內部流動狀態(tài)進行分析，研究射流曝氣機引射空氣性能，分析喉嘴距、面積比、喉管長徑比等結構參數(shù)對曝氣機引射性能的影響規(guī)律，確定最優(yōu)值。從而為設計新型射流曝氣機提供理論指導。

1 數(shù)值計算模型

研究主要采用控制變量方式，將射流曝氣機部分關鍵結構的經驗參數(shù)選擇在一定范圍內，分別改變這些結構參數(shù)來探究其對射流曝氣機引射性能的影響。參照文獻[14-15]設計計算出的射流曝氣機結構尺寸如圖1、表1所示。

表1 射流曝氣機主要結構尺寸

圖1 射流曝氣機主要結構尺寸

1.1 物理模型的建立及網格劃分

利用SolidWorks軟件建立射流曝氣機內部流域三維造型，并將模型導入到Ansys Mesh里面進行網格劃分，采用適應性較強的非結構性網格進行劃分，在劃分網格時考慮到網格的大小對計算結果的影響，開始時采用較大的網格間距和較少的網格數(shù)，當計算收斂后，為了讓結果更精確，對網格進行了細化，在保證網格質量的情況下最終生成30萬網格。圖2為劃分網格以后的模型。

1.2 控制方程的離散和求解設置

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模型及標準-湍流方程和標準壁面函數(shù)，參考壓力設置為101325 Pa，并考慮重力的影響；動量、湍流耗散、湍流動能等設置為默認的一階迎風格式，松弛因子都設置為欠松弛因子以便收斂。初始化時，設置一定初始條件，設置迭代步數(shù)20000步。

圖2 網格劃分

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，擴散管出口設置為壓力出口，數(shù)值為一定背壓，其余邊界設置為標準無滑移壁面。

表2 兩種流體的物性參數(shù)

2 計算結果分析

在CFD-Post后處理軟件中建立中心軸線，可以得到射流曝氣機中心軸線上的壓力分布曲線，如圖3所示。當工作水從噴嘴高速射出時，壓力能轉化為動能，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口處壓力，這是由于氣液兩相在喉管段發(fā)生劇烈摻混導致的能量損失。混合流進入擴散管后，壓力有明顯回升，最終在出口處恢復到外面背壓。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果較吻合，故說明該模型的選取和參數(shù)的設置是可行的。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到最大值，大約為19 m/s，此后在喉管段和擴散管段又逐漸變小。這是由于流體在通過收縮噴嘴時將壓力能轉換為動能，導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，與圓管內部流動狀態(tài)相符。此時空氣仍為連續(xù)的介質，而水從連續(xù)的介質被剪切成為不連續(xù)的介質，形成一種水均勻分布于空氣的混合流，最后該混合流經過擴散管，將動能轉化為壓能，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，進入喉管并與水流摻混產生混合流，氣液兩相在喉管末端混合較為均勻，后經擴散管從出口排出。

圖6 中心軸線上速度分布

3 射流曝氣機關鍵結構對性能的影響

3.1 性能參數(shù)

引射系數(shù)，也稱為噴射系數(shù)，是評價射流曝氣機性能的一個重要指標[16]。一般認為，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量流量與工作水質量流量之比，即：

式中：Q1為工作水質量流量，kg/s；Q2為引射空氣質量流量，kg/s。

圖8 XOY平面空氣體積分數(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。這段距離對曝氣機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引射性能的影響。在保證其他結構參數(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的曝氣機進行數(shù)值模擬。

表3、圖9給出了射流曝氣機吸入氣體質量流量與喉嘴距之間的關系。可以看出，隨著喉嘴距的增大，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當喉嘴距為1.5時，引射系數(shù)達到最大，此時曝氣機性能最好，此后隨著喉嘴距繼續(xù)增大，曝氣機性能開始下降。這是由于，當喉嘴距較小時，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，當喉嘴距增大使得兩相之間能量交換的時間增加，導致引射空氣所獲得的動能增加，故而吸入空氣質量流量增加，使得曝氣機性能變好。但是，喉嘴距太大會導致水射流損失的能量增加，也會造成吸入空氣質量流量減小。

表3 不同喉嘴距下射流曝氣機性能變化

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

喉管是射流曝氣機一個關鍵結構，其長度不僅影響自身工作，還會對后面的擴散管起到一定作用，通常以喉管的長徑比來研究曝氣機性能。取前文較優(yōu)的喉嘴距1.5、其他結構參數(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性能的影響。分別對喉管長為22、42、62、82、102的曝氣機進行數(shù)值模擬。

表4、圖10給出了射流曝氣機吸入氣體質量流量與喉管長徑比之間的關系。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，且當喉管長徑比為6時，引射系數(shù)達到最大，此時曝氣機性能最好。此后隨著喉管長徑比繼續(xù)增大，曝氣機性能開始下降。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，從而使曝氣機的性能降低。

表4 不同喉管長徑比下射流曝氣機性能變化

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吸氣性能的重要結構參數(shù)。為了研究面積比變化對曝氣機性能的影響，可保持曝氣機的其它結構尺寸不變，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性能的影響。根據(jù)前一小節(jié)所得到的結論，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對射流曝氣機進行數(shù)值模擬，與之相對應的面積比為1.96、3.24、4.84、6、6.76、8.41。

表5、圖11給出了射流曝氣機吸入氣體質量流量與面積比之間的關系。可以看出，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。當面積比為4.84時，引射空氣質量流量達到最大值，此時曝氣機性能最好，此后隨著面積比繼續(xù)增大，曝氣機性能開始下降。這是由于，當面積比較小時，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。當面積比較大時，喉管內的速度分布不均勻，氣液兩相在管內的動量交換受阻，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性能變化

圖11 不同面積比對吸入空氣的影響

4 結論

本文建立了射流曝氣機的內部流域三維數(shù)值模型，并通過數(shù)值仿真探究了射流曝氣機關鍵結構對其引射性能的影響，結果表明，本文模型的設計和仿真參數(shù)的設置是可行的，計算得到的射流曝氣機中心軸線上壓力和速度分布都符合其基本理論規(guī)律。在研究的結構尺寸范圍內，當嘴距為1.5、喉管長徑比為4、面積比為4.84時結果最優(yōu)。仿真結果可以作為新型射流曝氣機設計的理論參考，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)調控機理究）；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研究與示范）

陳從平（1976－），男，湖北荊州人，博士，教授、博士生導師，主要研究方向為3D打印、微電子制造、機器視覺、機器學習及機電系統(tǒng)控制。