滲濾液用射流曝氣臂結構模擬及性能優化

徐冬磊，韓 穎，張建國，張 威

（維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州213000）

在我國垃圾滲濾液處理過程中，經常使用好氧生化處理工藝，作為該工藝的重要組成部分，曝氣裝置得到了廣泛應用。曝氣是指將空氣中的氧氣強制向水體中轉移的過程，其目的在于增加水中的溶解氧，提高傳質效率，加強池內有機物及微生物與溶解氧的接觸效果，從而保證微生物對污水中有機物的充分降解。

目前曝氣方式主要有機械曝氣、鼓風曝氣和射流曝氣，與前兩者相比較，射流曝氣器具有較高的充氧能力，混合攪拌作用強，維修管理方便。但從射流曝氣器在滲濾液處理領域的實際運行來看，吸入水中的氧并未得到充分利用，大部分都以氣泡聚并的方式從池體表面溢出，導致氧利用率低，從而限制了射流曝氣器的推廣應用。

針對目前射流曝氣器的缺點與不足，本研究對其曝氣臂部件的結構進行了優化改良與流體力學模擬實驗，通過考查對比各曝氣臂模型邊界內的壓力場分布、速度場分布、氣液兩相分布、湍流動能及其耗散率分布等流場信息參數，確定了曝氣器的最佳優化設計模型，為后續曝氣器的工程實驗奠定了理論基礎，具有參考意義。

1 實驗模擬過程與方法

1.1 CFD模擬

本研究為了能夠獲取單一曝氣臂內流經介質的流場狀態及變化情況，采用ANSYS公司的CFD軟件對其進行網格建模與流體力學模擬。鑒于曝氣臂內的流經介質為兩相流（水相和空氣相），為了能夠更精準地獲得模型邊界內的相關流場信息，采用CFD中的Eulerian雙流體模型和Standard-k-ε湍流模型對其進行實驗模擬。

1.2 過程與方法

為了實現對原有曝氣臂的改良優化及模擬效果驗證，首先需要依次對原曝氣臂及優化后的曝氣臂進行網格建模，然后對各自模型進行模擬運算，分別獲得模型邊界內流體的壓力場分布、速度場分布、氣液兩相分布、湍動動能及其耗散率分布等重要參數，隨后根據相關模擬結果，對比并篩選出最佳的優化模型結構，從而最終確定曝氣臂的優化方案。最后考查并驗證曝氣臂優化前后對周圍流場限定區域的噴射效果。如圖1所示為原曝氣臂及其結構逐步優化后曝氣臂的網格建模。

圖1 曝氣臂的網格建模

圖1中左側為原曝氣臂模型，通過建模還原可以看出原曝氣臂由兩級噴嘴組成，一級噴嘴Ф43×45 mm，二級噴嘴Ф40×190 mm（一、二級噴嘴間的過渡區無實際意義，僅為區分一、二級噴嘴腔體的建模而繪制），兩級噴嘴皆為均徑噴嘴，水相從一級噴嘴中心管口①進入。空氣相由二級噴嘴的側管口②吸入，氣液兩相在二級噴嘴腔體內經充分混合并完成相間傳質后（空氣相以溶解氧的形式進入到水體中），由二級噴嘴口噴射入池，完成射流曝氣的全過程。圖1中右側是在原曝氣臂的基礎之上，通過逐步優化其結構而得到的模型，其中③是在一級噴嘴內增設旋流結構，④是將一級均徑噴嘴優化為變徑噴嘴，⑤是改變進氣方式，將原先的側臂圓管進氣優化為環狀縫隙進氣，⑥是將二級均徑噴嘴優化為變徑噴嘴。待優化前后的曝氣臂建模結束后，依次設定進水量為15 m/h，進氣量為60 m/h（氣水比為4∶1），開始模擬運算。運算結束后，可獲得各模型邊界內的流場信息，包括壓力場分布、速度場分布、氣相體積分數分布、湍動動能及其耗散率分布等參數。通過對比模擬實驗結果，可確定最佳的優化模型結構。

為了進一步考查并驗證曝氣臂優化前后對周圍流場限定區域的噴射效果，采用計算可行度大、網格質量高的Fluent Meshing模型進行噴射流場區域建模，具體模型如圖2所示。

圖2 曝氣臂噴射流場區域的網格建模

建模結束后，分別考查并對比優化前后曝氣臂在限定噴射區域內的相關流體信息參數，以便于驗證入池噴射效果的改善情況。

2 結果與討論

2.1 原曝氣臂的模擬

圖3所示為原曝氣臂模型邊界內各流場信息參數的模擬計算結果。

圖3 原曝氣臂模型流場信息參數

從圖3中可以看出，由于一級均徑噴嘴腔體內未設置旋流結構，液相從中心管進入一級噴嘴腔體內不會產生旋流效應，液相湍動程度較弱，不利于后續二級噴嘴腔體內氣液兩相的均勻混合。從圖3（c）中可以明顯看出，二級噴嘴腔體內氣液相間存在明顯的相界面，水體僅從二級噴嘴的中心圓截面噴出，空氣僅從其周邊的同心環截面噴出，說明氣液兩相在二級噴嘴腔體內并未得到充分混合，氣相傳質僅在氣液接觸表面進行，由于接觸面積有限，不利于溶解氧向液相中的擴散傳質。從圖3（a）（b）中可以看出，二級噴嘴口處氣水混合相的壓力分布為負值，速度分布也很小，僅有3～5 m/s，這樣不利于氣水混合物的噴射入池。從圖3（d）（e）中可以看出，湍流動能及其耗散速率的最大值，僅集中于進氣管一側貼壁處，這與圖3（b）中的速度場分布情況類似，而整個模型內的平均湍流動能及其耗散率極小，幾乎為零，這進一步說明原曝氣臂模型內氣液兩相間的湍動程度不佳。

2.2 設置旋流結構后的模擬

在原曝氣臂一級噴嘴內設置旋流結構，其模型邊界內各流場信息參數的模擬計算結果如圖4所示。

圖4 設置旋流結構后的模型流場信息參數

從圖4中可以看出，通過設置旋流結構，可大幅提升進水湍流擾動程度，更有利于后續二級噴嘴腔體內氣液相的充分混合，從而提高氣液傳質效率。從圖4（a）可以看出，增設旋流裝置后，一級噴嘴腔體內的流體壓力場分布得到明顯改善：與未設置旋流結構的模型相比，該模型一級噴嘴腔體內的壓力分布層次分明，沿著噴嘴的徑向方向由外到內的壓力分布逐漸減弱，尤其在噴嘴及過渡區的中心位置處，產生了液相負壓，更有利于進氣管中空氣的卷吸進入。從圖4（c）可以看出，二級噴嘴腔體內的氣液兩相混合效果也得到顯著改善，氣相分布變得紊亂，氣液相間再無明顯相界面，傳質接觸面變得更大更廣，有利于溶解氧向液相中的傳質過程。從圖4（d）（e）中可以看出，湍流動能及其耗散率分布由原先進氣管貼壁處極大值向二級噴嘴中心區域移動，其分布區域面積及數目有所增大和變多，分散程度有所增加，說明增設旋流裝置對模型內氣液相間的湍動程度有所改善。

2.3 一級噴嘴及進氣方式優化后的模擬

基于上述模擬實驗，在保持旋流結構不變的情況下，依次對一級噴嘴和進氣方式進行逐步優化，將一級均徑噴嘴優化為一級變徑噴嘴，將側壁直管進氣方式優化為環隙進氣方式，具體優化參數如表1所示。

表1 一級變徑噴嘴及環隙進氣結構優化相關參數

圖5為上述（1）～（4）各模型邊界內流場信息參數的模擬運算結果。

從圖5可以看出，在保持進水液相旋流不變的情況下，通過優化一級噴嘴結構、改變進氣方式等優化措施，可進一步加大進水中心處的負壓值，根據文丘里效應，可大幅增加空氣的吸入量。與此同時，兩級噴嘴腔體內的流體速度分布較之前也有了較大提升，氣液混合相的噴射動能也隨之增加。除此之外，從圖5（c）的立體分布圖可以看出，氣液兩相剛剛交匯時存在明顯相界面，隨著噴射過程的進行，二級噴嘴腔體內氣液兩相的混合變得越來越均勻，直至噴嘴出口，氣液兩相已完全混合。這是因為環隙進氣方式中獨特的環形狹縫構造，不僅可使空氣的吸入氣速劇增，更重要的是可大幅提升液相對空氣的水力剪切力。在強大剪切力的作用下，吸入空氣被壓縮成體積更小的氣泡，加大了氣液接觸面積，極大促進了空氣向水體中的混合擴散。從圖5（d）（e）中可以看出，兩級噴嘴腔體內的湍流動能及其耗散率的分布區域面積和數目進一步增多，二級噴嘴腔體前半段內混合相的湍動程度最大，而后逐漸減弱，說明需要進一步對二級噴嘴結構進行優化。

圖5 一級變徑噴嘴及環隙進氣的模型流場信息參數

通過對比（1）～（4）模型的模擬結果，不難看出在（2）（4）模型下，兩級噴嘴過渡區的負壓區域面積較大，兩級噴嘴腔體內的湍流動能及其耗散率分布區域面積及數目相對較多。與（1）（3）模型相比，（2）（4）中的湍流動能及其耗散率分布不僅在二級噴嘴腔體前半段內較高，同時在一級變徑噴嘴內也較高。這進一步說明，一級噴嘴縮頸幅度越大，流經噴嘴流體的壓力跳躍就越大，其湍動能力越顯著。

2.4 二級噴嘴優化后的模擬

為了進一步提高曝氣臂內氣液混合相的噴射動能，提高相間湍動程度與氣相傳質效率，在保持旋流結構、一級變徑噴嘴結構及環隙進氣方式不變的情況下，繼續對二級噴嘴進行結構優化。基于上述（2）（4）模型，分別對二級噴嘴做縮徑及擴徑處理，通過對比模擬數據來確定二級噴嘴的最佳優化結構。

如表2所示，為二級變徑噴嘴的優化方式及相關參數。

表2 二級變徑噴嘴結構優化相關參數

圖6所示為上述（1）～（6）各模型邊界內流場信息參數的模擬運算結果。

圖6 二級變徑噴嘴的模型流場信息參數

從圖6（c）中可以看出，二級噴嘴縮擴徑對模型腔體內流體混合的均勻程度幾乎未產生影響，即無論二級噴嘴發生縮徑還是擴徑變化，氣液兩相經過兩級噴嘴后均能實現完全混合并噴射入池。從圖6（a）中可以看出，當二級噴嘴發生擴徑變化時，兩級噴嘴過渡區域的負壓面積變大，更有利于空氣的吸入，但二級噴嘴腔體內的壓力場并無顯著變化；當二級噴嘴發生縮徑變化時，兩級噴嘴過渡區域的負壓面積略有減小，但二級噴嘴腔體內的壓力場卻得到增幅加強，提高了氣液混合相的噴射壓力。從圖6（b）中可以看出，當二級噴嘴發生擴徑變化時，其腔體內位于噴射中心處的流體速度場明顯衰減，導致噴嘴口的噴射速度小于1 m/s，與之相比，二級噴嘴的縮徑變化卻能使其腔體內的流體速度場收斂加強，以至其噴嘴口處的噴射速度有所增加（由均徑時的2 m/s增大至3 m/s），這是因為連續性流體在噴射過程中，隨著流通截面積的逐漸減小，噴射速度是逐漸增加的。從圖6（d）（e）中可以看出，與二級噴嘴變化相比，縮徑變化能整體加強模型內氣液混合相的湍流動能及其耗散率，兩者的分布區域面積及數目均有所增大和變多，分散程度得到進一步加強，尤其是二級噴嘴口處的湍動能及耗散率分布有了明顯改善，說明二級噴嘴的縮頸結構增加了流體的壓力跳躍程度，提高了氣液混合相間的湍動程度，氣液混合發生得更加劇烈。

從圖6（d）（e）中還可以看出，就模型內湍流動能及其耗散率的增幅強化而言，模型（6）比模型（3）要更好一些，這是因為模型（6）的一級變徑軸長比模型（3）的略短一些，以至流體在一級噴嘴內的壓力跳躍變化梯度加快，再加上二級噴嘴縮徑結構的疊合效應，引起湍動能及耗散率的增大。

2.5 不同優化模型下的流體壓降運算

為了進一步探究并考查各優化模型下的流體壓降情況，理論評估曝氣臂的能量消耗，將所有優化模型的水側壓降及空氣側壓降數據統計在表3中。

表3 不同優化模型的流體壓降數據

從表3可以看出，序號7“短前43-20-30，40-30-190”的優化模型經模擬運算后的水側壓降最小（僅111.3 kPa），空氣側壓降也較小（36.5 kPa，與最小值20.4 kPa相當接近），說明氣液混合相在該模型內的噴射過程中，產生的壓阻損失及理論能耗最小。綜合上述模型的流場信息參數分析，曝氣臂采用“液相旋流+環隙進氣+兩級變徑噴嘴”的方式為最佳優化模型，其中一級噴嘴由43 mm縮至20 mm，軸長30 mm；二級噴嘴由40 mm縮至30 mm，軸長190 mm。

2.6 限定區域噴射效果的模擬

如圖7所示，分別為原模型和最佳優化模型在周圍限定區域內噴射的流場信息參數。

圖7 限定區域內噴射的流場信息參數

對比兩模型在周圍限定區域內的噴射效果后發現，從最佳優化模型噴出的氣水混合相的速度場與原模型相比有所增強，且更加收斂。除此之外，從圖7（d）（e）中可以明顯看出，最優曝氣臂模型對限定區域池底流體的湍流動能及其耗散率分布有較大影響，并使其顯著增強。這說明經過液相旋流、環隙進氣及兩級變徑等一系列改良結構后噴出的氣水混合物會把更多的湍動能帶入周邊流體，增加了池體流體的擾動，更有利于提高池內氣液相間的傳質效率，同時也進一步減緩了池內污泥沉降堆積的發生。

3 結論

（1）通過在原曝氣臂上增設液相旋流結構，加強了進水湍動程度，大大增加了氣液相間的傳質接觸面，在曝氣臂腔體的兩相混合區內再無明顯相間界面出現。

（2）通過改變原曝氣臂的進氣方式，由直管進氣優化為環隙進氣，可大幅增強水相對空氣的剪切力，氣相被壓碎成更多更小的氣泡，氣液相間傳質得到顯著提高。

（3）通過優化原曝氣臂的兩級變徑結構，將原一二級均徑噴嘴優化為縮徑噴嘴，增幅強化了曝氣臂內流體的壓力跳躍程度，氣液混合相的湍流動能及其耗散率得到收斂加大，氣液相間的湍動程度變得更加劇烈。

（4）通過計算不同模型內的流體壓降，分析各模型的相關流場信息參數，確定了曝氣臂采用“液相旋流+環隙進氣+兩級變徑噴嘴”的方式為最佳優化模型，其中一級噴嘴由43 mm縮至20 mm，軸長30 mm；二級噴嘴由40 mm縮至30 mm，軸長190 mm。

（5）從最佳優化模型噴出的氣水混合相可增加周邊池體內流體的擾動，有利于提高池內氣液相間的傳質效率，同時有效減緩池內污泥沉降堆積的發生。