基于Workbench Fluent的曝氣裝置工藝參數數值分析

李東方 黃增陽 曾燕平?姜文雍 陳恩亮

摘 要：本文利用Workbench Fluent分析模塊，建立了曝氣裝置射流數值分析模型，分析了流體內部分布情況。在出口擴散管收縮角10°、液體進口直徑12.5 mm及喉管長度34.5 mm的機械結構尺寸條件下，筆者探討了不同入口水流量、入口空氣壓力以及出口背壓壓力工藝參數下的流體域壓力和速度的分布情況。數值研究結果可為曝氣裝置實際工程應用中的機械結構優化工作提供基礎數據。

關鍵詞：曝氣裝置;數值分析;工藝參數;Fluent

中圖分類號：TP391.9;O359文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）04-0029-03

Abstract： By using the Workbench Fluent analysis module， this paper established a numerical analysis model of the jet flow of the aeration device and analyzed the internal distribution of the fluid. Under the conditions of the outlet diffuser tube shrinkage angle of 10°， the liquid inlet diameter of 12.5 mm and the throat length of 34.5 mm， the author discussed the distribution of fluid domain pressure and velocity under different process parameters of inlet water flow， inlet air pressure and outlet back pressure. Distribution. The results of the numerical research can provide basic data for the optimization of the mechanical structure in the actual engineering application of the aeration device.

Keywords： aeration device;numerical analysis;process parameters;Fluent

現代工業中的曝氣是指采用向水中充氣、機械攪拌等方式，增加空氣與水體之間的接觸，實現廢水需氧生物處理的一種中間工藝。本文根據流體動力學的相關理論，利用Workbench Fluent分析軟件，研究特定曝氣裝置機械結構條件下的不同進口水流流量、空氣入口壓力以及出口背壓下的流體域壓力和速度分布情況。

1 建立數值分析模型

1.1 簡化模型及劃分網格

一般曝氣裝置[1]的主要結構包括噴嘴、進氣管、混氣管和擴散管。本文所研究的曝氣裝置結構簡圖如圖1所示。

為了分析曝氣裝置的入口速度、入口壓力以及出口背壓等工藝參數對曝氣效果的影響，下面利用ANSYSWorkbench軟件的Fluent[2]模塊對簡化模型進行研究。曝氣裝置Fluent分析流程框圖如圖2所示。

根據分析模型的幾何、邊界條件的對稱性，本文把流體域簡化成二分之一對稱模型。使用Autodesk Inventor三維繪圖軟件，對簡化后的流體域進行幾何模型建立，然后導出中間格式文件，啟動Workbench軟件，導入上述簡化的模型，對模型進行網格劃分和設置，同時對液體入口、氣體入口以及混合相出口、對稱面進行定義，便于后續邊界條件施加，通過多次模型計算調試，最終獲得220萬～230萬單元格個數的網格模型。

1.2 設定材料特性、邊界條件及求解參數

左側入口液態水邊界為入口速度，上部入口空氣邊界為入口壓力。液氣混合出口邊界為出口壓力。材料為液態水和空氣，其特性如表1所示。求解設置Realizable k-ε湍流模型和相應的Wall函數，取0.073作為相間表面張力參數，在Gravity中輸入重力加速度（Z方向）為-9.81 m/s2。所有材料的湍流強度取作5%。本研究采用對稱邊界定義幾何對稱面。

2 數值仿真結果分析

下面對上述模型進行數值計算，設定某一參數為變量，其他參數為定值，獲得不同計算模型。對計算結果進行后處理，分析影響流體域分布情況的因素。如無特殊標明，模型的機械結構參數如表2所示。

接下來探究不同曝氣裝置的入口速度、入口壓力及出口背壓等工藝參數對曝氣效果的影響。統一使用提取曝氣裝置中心軸向位置（X）上的流體運動速度和壓力分布數據的方法，使用Origin繪圖軟件繪制相關曲線。

2.1 不同入口流量Q1下的分布規律

下面取Q1分別為12、18、24 m3/h的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖3可知，隨著流量的增大，速度最大值出現在約0.15 m的位置，即喉管靠近出口的位置處，對應Q1下的最大速度分別是113.00、117.00、197.00 m/s;壓力總體上趨于減小，介于0.06～0.12 m，壓力保持相對平穩，隨后在約0.15 m處降到最低，之后趨于上升，在此過程中的最大壓力分別是-4.17、-4.70、-9.50 MPa。

2.2 不同入口壓力pi2下的分布規律

下面取pi2分別為0.1、0.2、0.3 MPa的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖4可知，雖然空氣入口壓力增大，但中心軸向位置上的速度和壓力分布趨勢相同，而且大小較為接近，速度最大值分別是87.70、90.20、82.6 m/s，最大壓力分別是-3.63、-3.98、-3.50 MPa。由此可知，空氣入口壓力對速度和壓力分布的影響不大。

2.3 不同出口背壓po3下的分布規律

曝氣裝置出口背壓大小取決于曝氣裝置中心距離水面的深度，即水深壓力。背壓為0，表示出口完全暴露在空氣中。下面取背壓po3分別為500、7 357.5 Pa（對應水深0.5 m）和14 715 Pa（對應水深1 m）的模型，對射流流體分布情況進行分析。由圖5可知，雖然背壓增大，但是中心軸向位置上的速度和壓力分布趨勢相同，同樣的大小較為接近，速度最大值分別是87.70、72.10、75.10 m/s，壓力最大值分別是-3.63、-3.02、-3.16 MPa。由此可見，出口背壓大小對速度和壓力分布的影響不大。

3 結論

本文采用Workbench Fluent分析模塊，對曝氣裝置內部流場三維有限元模型進行分析。通過同一機械結構尺寸下的模型分析，筆者得到了不同工藝參數下的流體域的速度和壓力分布情況。液態水入口流量對流體域的速度和壓力分布影響較大，而空氣入口壓力和出口背壓對流體域的速度和壓力分布影響不大。

參考文獻：

[1]胡坤，胡婷婷，馬海峰，等.ANSYS CFD入門指南計算流體力學基礎及應用[M].北京：機械工業出版社，2018：12.

[2]田杰，李少波，馮景偉，等.基于CFD的射流曝氣器關鍵結構參數研究[J].機械工程師，2011（8）：22-24.