基于Fluent的射流曝氣頭關鍵結構參數仿真分析

李東方，黃增陽，許中琛，吳騰飛，祝惠一，姜文雍，陳恩亮

(1.衢州職業技術學院 機電工程學院，浙江 衢州 324000；2.衢州市質量技術監督檢測中心，浙江 衢州 324000)

0 引言

曝氣裝置是使空氣同水能夠強烈接觸發生氣液兩相交換傳遞的一種裝備。能把有機物廢水中揮發性物質通過溶氧帶出到自然空氣中，這就是曝氣所要達到的目的。簡而言之，曝氣就是起到促進氣液相之間物質交換作用。利用曝氣方式，能把氧在氣液相間進行傳遞或交換，實現氧從氣相到液相進行傳質。四川大學的趙梁[1]等，認為發生器中影響流場分布的是機械結構和流動工藝參數。分析了氣泡的運動和流體旋轉過程。研究了裝置的空化機理，為機械結構設計提供了可靠的方法。浙江大學的楊洋[2]，把曝氣工程和實際的處理工藝相結合，采用CFD(Computered Fluid Dynamic)研究方法對曝氣過程進行了研究。探究了兩相流體模型的仿真結果。三峽大學的陳從平[3]等，分析了曝氣裝置的機械結構對性能的作用情況。對不同機械結構條件下的流體分布情況進行了仿真研究。為結構的設計優化提供了一些參考數據。綜上所述，為了達到更好的空化效果，有必要對曝氣頭結構設計所涉及到的流體動力學(Fluid Dynamic)等相關理論進行進一步地分析和研究。

1 仿真分析模型建立

一般的，曝氣頭[4]主要組成部分有噴嘴、進氣管、混合氣管及擴散管等。微氣泡發生器曝氣頭結構簡化示圖如圖1(a)所示，D1～D5、l1～l5為主要尺寸，2α為擴散管收縮角。

1.1 幾何模型簡化、流體域建立及網格劃分

在實際計算過程中，對幾何模型進行簡化處理，可以減輕計算強度。根據分析模型的幾何、初始條件的對稱性，簡化成二分之一模型。利用inventor軟件進行3D幾何建模，并對幾何模型進行簡化，直接進行流體域3D建模，然后將幾何3D模型以STP格式導出，再導入到Fluent中，在DM模塊進行體切分處理，最終獲得處理后的完整3D計算域模型。把上述生成流體域導入到Mesh模塊，進行網格劃分。根據仿真分析的計算殘差對網格進行細化和調整，通過調整，最終模型單元數量在220萬左右。網格劃分后模型，如圖1(b)所示。

1.2 材料特性設置和邊界條件設定、求解設置

曝氣頭的入口為液態水，頂部為空氣進口。在Material界面設置兩種材料常溫下的物理特性[3]。設置主相、第二相的特性。液體進口處采用velocity-inlet邊界，大小由進口流量和結構尺寸確定。氣體進口處采用pressure-inlet邊界。液氣混合出口采用pressure-outlet邊界。湍流強度均設置為0.05。對幾何對稱面采用Symmetry邊界，其他為wall邊界。數值模型采用3D雙精度、多相流為VOF、標準可視化k-ε湍流模型和標準壁面函數，水氣兩相之間表面張力系數取為0.073，同時考慮重力影響，在Z方向設置重力加速度為-9.81 m·s-2，采用隱藏剛體力。初始化后，設求解步數初步為10 000步。

圖1 曝氣頭結構和流體域二分之一三維網格模型

2 仿真結果分析

采用單因素法，對影響曝氣頭射流流體分布情況進行分析。沒有特殊說明情況下，所分析模型，其機械結構參數分別是D1為?12.5 mm，D2為?13.5 mm，D3為?13.5 mm，D4為?40 mm，D5為?44 mm，2α為10°，l1為39.5 mm，l2為103.7 mm，l3為34.5 mm，l4為75 mm，l5為66 mm，l6為56.8 mm；其工藝參數分別取入口流量Q1為12 m3·h-1，入口壓力Pi2為0.1 MPa及出口背壓Po3為500 Pa(即出口為大氣狀態)。通過后處理，分別提取曝氣頭中心軸向位置(X)上的流體運動速度和壓力分布數據，繪制成曲線圖。

2.1 不同出口擴散管收縮角2α條件下分布情況

取2α分別為8°、9°和10°的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖2可知，在水流和氣流到達喉管入口處之前，流體速度幾乎一致，在軸向位置約為0.143 m處，發生較明顯變化，而且隨著出口擴散管收縮角度的增大而呈現急劇減小態勢。壓力分布上，隨著出口擴散管收縮角度的增大而呈現增大且趨于平穩態勢，約為0.143 m處出現最小值。

2.2 不同液體進口直徑D1條件下分布情況

取D1分別為?9 mm、?10 mm和?12.5 mm的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖3可知，當水流到達氣流入口位置附近前，流體速度在約為0.041 m處達到第一個峰值，隨后急劇下降；而當到達喉管入口約為0.143 m之前的0.12 m位置處時，速度又急劇上升，并在約為0.143 m處達到峰值，隨后隨著擴散管而發生速度擴散。壓力分布上，不同液體進口直徑下的分布趨勢較為一致。呈現先降低，并在約為0.06 m處到0.12 m位置之間呈現穩定狀態，隨之，急劇降低，并在約為0.143 m處呈現最低值，隨之又呈現上升趨勢，并在出口處壓力趨于一致，因為出口壓力存在背壓。

圖3 不同D1條件下中心軸向位置上的速度和壓力分布

2.3 不同喉管長度l3分布情況

取l3分別為19.5 mm、34.5 mm和49.5 mm的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖4可知，隨著喉管長度的增大，在流體到達喉管入口之前的一段范圍內，速度大小分布接近于一致，隨后逐漸增大，并分別在喉管入口處達到較大值，隨之又呈現下降趨勢。壓力分布上，分布趨勢較為一致，并呈現先下降到最低點、進而上升的趨勢，但總體上，壓力均小于相應入口壓力。

圖4 不同l3下中心軸向位置上的速度和壓力分布

3 結論

采用Fluent軟件，建立得到了曝氣頭分析內部流場的三維有限元模型。采用單因素法，利用Fluent軟件分析了不同機械結構尺寸下的模型，得到了對應結構尺寸下流體域的速度和壓力分布情況。綜合來看，在進行結構優化設計時，可選用初始結構參數為：入口直徑D1為?12.5 mm，2α為10°，l3為34.5 mm。