新型供氣式低壓射流曝氣器的結構設計與模擬優化

張安龍 閻毓 王先寶 蹇昊辰

摘要：為了提升供氣式射流曝氣器的混合效果和充氧效率，本課題根據各種氧傳質機理對結構進行重新設計，提出進氣管小孔出氣等優化改進方案。通過數值仿真分析軟件（Solideworks）建立三維模型，使用 Fluent軟件模擬分析結構合理性和各種結構參數對湍流混合效果的影響。本課題對比了第一代和第三代新型曝氣器的流線圖。最終水相體積分數仿真結果表明，新型曝氣裝置的設計結構合理且混合效果有了顯著提升，第三代低壓供氣式射流曝氣器的最佳參數為一級管徑86 mm，一級噴嘴直徑36 mm，進氣管直徑20 mm，進氣管長82 mm，混合室直徑140 mm，混合室長400 mm，二級噴嘴直徑55 mm，開孔孔徑3 mm，開孔規模為均勻分布7列，每列8個。

關鍵詞：低壓供氣式射流曝氣器;湍流動能;水相體積分數; Fluent軟件

中圖分類號： TS73? 文獻標識碼： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.013

Structure Design and Simulation Optimization of a New Air-supplied Low Pressure Jet Aerator

ZHANG Anlong1 ??YAN Yu1，* ??WANG Xianbao1 ??JIAN Haochen2

（1. School ofEnvironmental Science and Engineering，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021;

2. School ofMechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan Province，614202）

（*E-mail：1098905507@qq. com）

Abstract：In order to improve the mixing effect and oxygenation efficiency of air-supplied jet aerator，the structure of which was redesigned according to various oxygen mass transfer mechanisms，and the optimizized scheme such as small hole outlet on inlet pipe was proposed. The three-dimensional model was established using numerical simulation and analysis software（Solidworks）， and Fluent software was used to simulate and analyze the structural rationality and the influence of various structural parameters on the turbulent mixing effect. This study compared the streamline diagrams of the first-generation and the third-generation new aerators. The simulation results of water phase volume fraction showed that the design structure of the new aerator was reasonable and the mixing effect significantly improved. The optimized pa?rameters of the third-generation air-supplied low pressure jet aerator were as follows：diameter of primary pipe，primary nozzle，and inlet pipe of 86，36，and 20 mm，respectively，inlet pipe length of 82 mm，mixing chamber diameter and length of 140 and 400 mm，respective?ly the secondary nozzle diameter of 55 mm and opening diameter 3 mm. The opening distribution was 7 columns evenly distributed with 8 holes in each.

Key words：air-supplied low pressure jet aerator; turbulent kinetic energy; water phase volume fraction;Fluent software

射流曝氣技術是繼空氣擴散曝氣技術和機械曝氣技術后問世的第3種曝氣技術[1]，由于射流曝氣器具有不容易被堵塞、曝氣面積大、更換周期長等特點，已經在我國大量的城市污水處理廠和各類工業廢水處理廠中得以應用[2-5]。射流曝氣器從供氣方式上可以分為供氣式和自吸式兩種[6]，相比自吸式射流曝氣器，供氣式低壓射流曝氣器通過風泵向射流器供氣，這樣可以自由調整汽水比，利用汽水劇烈混合形成的湍流狀態切割氣泡，可以有效控制湍流的規模和尺寸，大大提高氣液的接觸面積。

射流曝氣技術近30年來已成功應用于造紙工業廢水的生化處理中，如1996年廣州造紙廠利用射流曝氣系統處理其生產廢水;1997年的云南思茅造紙廠廢水處理;1998年的華泰紙業與鎮江金河處理漂白堿法草漿和漂白硫酸鹽葦漿廢水;2000年的太陽紙業二期漂白堿法草漿廢水，以及2001年的江門甘化廠蔗渣漿廢水處理工程等[7]。

為提高混合效果，張佳曄[8]與謝飛[9]分別對原版射流曝氣器進行了加孔板結構和優化原版射流曝氣器最佳結構測得實驗，實驗結果均顯示混合效果得到提升，但張佳曄在混合室增加孔板讓廢水從中流過，這使得管道容易堵塞，謝飛相比張佳曄放棄了孔板結構，對原版射流曝氣器進行了尺寸優化并測試工況最優解，使混合效果在張佳曄的基礎上進一步提升[9]。張佳曄測得工況為：水速1.5 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑40 mm。謝飛測得最佳工況為：水速3 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑40 mm。為再次增加混合效果，改變曝氣管易堵塞的狀況，并使裝置在低流量下節約能耗，本課題在水速0.5 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑20 mm 的工況下重新進行了低壓射流曝氣器設計優化。

1 實驗對象

1.1 設計圖紙

先前研究在充分了解和考慮氧傳質的各種理論以及影響氧傳質的各種因素后[10]，為了增加相同體積氣體的總表面積、曝氣器產生的湍流強度和氣液混合效果，進而提高充氧效率，提出進氣管小孔出氣、一級噴嘴周圍增加擋板等優化改進方案，設計出了第三代供氣式射流曝氣器，其一級噴嘴口周圍未封閉，結構示意圖如圖1所示[11]。本課題對該低壓供氣式射流曝氣器進行改進。圖2為改良后第三代供氣式射流曝氣器模型。

1.2 采集其他模型

本課題選取謝飛改進的射流曝氣器作為第一代對比對象[9]，選取張佳曄改進的射流曝氣器作為第二代對比對象[8]。表1為模型名字及其特征對比。

2 實驗方法

使用 Mesh 軟件對表2所示的所有模型進行網格劃分然后利用 Fluent 軟件進行數值模擬，最后使用 CFD POST將所有實驗數據整理轉化后進行對比，以評價性能好壞。

2.1 實驗工具

本課題采用Solideworks軟件對各參數射流曝氣器進行三維建模。一級管徑76 mm，一級噴嘴直徑24 mm，進氣管直徑20 mm，進氣管長110 mm，混合室直徑140 mm，混合室長500 mm;二級噴嘴直徑55 mm，開孔孔徑5 mm，開孔規模為均勻分布7列，每列8個。采用 Mesh 軟件進行網格劃分，網格劃分結果如圖3所示。

本課題使用 Fluent 軟件建立控制方程、能量方程、標準 k-ε流模型并設置模型邊界條件、初始條件，采用歐拉多相流對建立的方程進行求解計算。設置相應的求解控制參數。兩相為空氣和液態水，進氣口和入水口分別設置速度為10 m/s和0.5 m/s，進水壓力和出口壓力均為60000 Pa，進氣口壓力為70000 Pa。最終使用CFD軟件對各模型進行輸出實驗結果。

2.2 數值模擬

混合效果受到多個結構參數影響，因此，本課題以原模型參數為基礎[8]設計了不同參數的一級噴嘴直徑、一級管徑、二級噴嘴直徑、混合管長度、混合管直徑、進氣管直徑、進氣管長度、進氣管小孔直徑、進氣管開孔率的模型1～33，并對它們分別進行模擬計算，結果見表2。

2.3 第三代曝氣器的微調

圖4為第三代曝氣器改良前流線主視圖。從圖4可以看出，未改良的第三代曝氣器模型33，其產生的湍流聚集在了一級噴嘴后方，湍流沒有在氣液相遇處形成，不利于氧氣傳質。因此將一級噴嘴口附近區域封閉如圖2所示，這時圖4中各個湍流團前移，且湍流以進氣管為中心形成，即見圖5所示。

2.4 第三代射流曝氣器流線云圖

圖6中第三代曝氣器其在進氣管左右兩處和進氣管中心上方3處形成了漩渦狀激烈的湍流，而湍流的形成有利于氧氣的傳質過程，所以總體上此模型是成功的。圖7為原版曝氣器在同種條件下的流線圖，可以發現其在進氣口處也形成了湍流，但沒有第三代曝氣器的湍流劇烈。

圖8與圖9分別為相同工況下第三代與第一代氣液兩相體積分數云圖，這2幅圖中紅色代表水、藍色代表氣體、綠色代表混合十分均勻，可以看作氣泡被打的很碎且分布十分均勻，從圖8中可以看出，第三代曝氣器其氣液兩相混合十分均勻，其出口云圖中顯示綠色占大多數，且沒有出現深藍色和深紅色，因此第三代噴管的混合效果更好。

2.5 一級噴嘴直徑對混合效果的影響

圖10為速度壓力變化圖。圖10（a）顯示，每個模型在橫坐標為310 mm 時都有壓力的突變下降，這是由于水流突然被進氣管阻擋所致。比較模型1～7后發現，在相同的工況下，隨著一級噴嘴直徑越大，其壓力波動范圍越小。其中模型4壓力變化的范圍大、壓力平緩區少且變化最為頻繁，這說明其內部氣液兩相的壓力勢能和動能轉換頻繁，這有利于氧傳質。而模型 1雖也有明顯壓力變動區間，但沒有模型4的變化區間廣，所以模型4更為出眾。圖10（b）中，一級噴嘴直徑越大則從一級噴嘴流出的水速越小。在最終出口速度方面，氣液混合相的速度隨著一級噴嘴直徑的增加而增加。在距一級噴嘴距離400～700 mm 范圍內的速度規律發生了明顯反轉，這是由于液體沖擊氣體發生了剪切混合作用，將動能轉換成了壓力勢能與內能，一級噴嘴越小流出水的速度越大且與進氣管碰撞后產生的內能也越大，所以碰撞后速度減小。在相同混合管徑的情況下，內能損失越大的，碰撞后的速度越小。模型4的速度變化最為劇烈，這有利于氧氣的傳質。

圖11為水相體積云圖。從圖11中可以看出，在一級噴管出口處，水流沖擊進氣管并與氣體發生剪切作用，此時動能轉化為內能和壓力勢能。由于水的流速高致使氣流無法完全切割在重力影響下的水流，所以從圖11還可以看出，模型1的出口雖未出現明顯的紅色水相和藍色氣相，但下方還是呈現出黃色，這是不利于氧氣傳質混合的。隨著一級噴嘴的管徑增大，水流的速度逐漸變小，模型2～模型4下方黃色漸變為藍色。從最終的出口斷面看模型3、模型4的綠色占比大，混合效果優異。模型5～模型7的結果顯示隨著一級噴嘴直徑變大，水流速度變小，在重力的作用下使水流無法完全切割上方氣柱，并且向下進行流動，所以模型5～模型7的進氣管上方有明顯的藍色，下方有明顯的黃色，出口截面水相體積云圖也顯示氣液的混合不均勻。表3顯示隨著一級噴嘴直徑的增加，平均湍流動能先變大后變小。而平均湍流耗散率是隨著一級噴嘴直徑的變大而減小的。根據上述實驗結果可知，模型4的壓力變化范圍廣，混合效果好，湍流動能和湍流耗散率最高，所以選擇模型4進行進一步優化實驗。

2.6 二級噴嘴直徑對混合效果的影響

經實驗對比模型4、模型8～模型11間各個結果后發現二級噴嘴直徑對混合效果的影響較小，繼續選擇模型4進行優化。

2.7 不同進氣管直徑對混合效果的影響

研究發現，一級噴嘴口徑越大混合效果越差，模型4、模型12～模型14中，模型4的壓力變化范圍廣，混合效果好，湍流動能和湍流耗散率最高，在此選擇模型4進行進一步優化實驗。

2.8 不同進氣管長度對混合效果的影響

經研究發現，此因素下各模型混合結果非常相近。此外還發現，進氣管長度越短則產生的湍流強度越高，進氣出口的氣速增大，從而使得氣體和液體發生強烈碰撞產生激烈的湍流。上述這種情況的產生是由于在入口氣速恒定的情況下，進入進氣管的氣量不變，但進氣管長度縮短了，使得出氣口總面積減小所致。而湍流強度越強則越有利于氧氣的傳質，綜合上述，這里選擇模型15繼續改進優化。

2.9 不同混合管長度對混合效果的影響

經研究發現，此因素下各模型混合結果非常相近。考慮到節約制作成本，選擇混合管最短的模型21作為進一步優化改進的基礎。

2.10 不同混合管直徑對混合效果的影響

通過研究發現，模型21、模型25～模型27隨著混合管直徑變大，混合管的混合效果越來越好，這說明過小的混合室無法使混合均勻，產生這種情況的原因在于，進氣管放出的氣體距離管壁太近，氣體噴射到管體后向四周產生巨大的沖擊力，而混合管上方的水體本身由于重力作用導致其水平方向剪切力不足，從而無法對氣柱產生完全切割。但隨著混合管直徑的變大，這種沖擊產生的阻力變小，水體可以和氣體發生充分的切割。模型27的平均湍流動能和平均湍流耗散率均為最高，因此選擇模型27作為繼續優化和改進的基礎。

2.11 進氣管開孔孔徑對混合效果的影響

經測試不同進氣管開孔孔徑后發現，模型28、模型29的混合結果非常相近，但發現小孔直徑越小其湍流強度越高，綜上所述本課題選擇模型28作為繼續優化的基礎。

2.12 進氣管開孔數對混合效果的影響

通過測試不同進氣管開孔數后發現模型28、模型 30、模型31，除了湍流強度存在規律性差異外，各模型的混合結果非常相近，此因素下實驗結果顯示開孔數越多湍流強度越弱，這是由于開孔數多了則每個孔的出口壓強變低，從而使得氣體流速降低進而剪切力減小，導致形成的湍流強度明顯下降。此因素下模型28的湍流強度最高，所以選擇模型28為基礎繼續進一步的優化。

2.13 一級管徑對混合效果的影響

圖12為速度壓力變化圖。由圖12（a）可以看出，隨著一級管徑的增大，250～750 mm全區間的速速也越來越大，這是因為在相同的進水速度下，一級管徑越大，進入的水量就越多單位時間內進入混合管的動能也越大，又因為混合管直徑相同，因此水速變大。在 250～400 mm 區間內，各模型速度變化趨勢相同，模型28、模型33的最大速度均大于模型32，模型28、模型 33的最大速度相差不大且在區間400～750 mm 速度變化趨勢幾乎相同，速度增減頻率均相同。從圖12（b）可以看出，一級管徑的增大也使得裝置的整體壓力變大，模型33的壓力大小跨度最大，壓力的每次上升下降更為明顯，模型28、模型33的壓力變化趨勢以及壓力增長降低變化頻率相同。模型32在全區段相較于其他模型壓力變化幅度最小，上升下降頻率最低。

圖13為水相體積云圖。由圖13看出，隨著一級管徑的增大，混合管中的藍色越來越淡，綠色越來越深且變多，這說明一級管徑在66～86 mm之間混合效果成正比關系，從出口截面的截圖也可以看出模型32出現了深藍色痕跡，而模型28、模型33沒有，可以看出模型33的混合效果最好，綠色占了絕大多數，而綠色的占比越高說明混和的越均勻。從表4可以看出，模型33的平均湍流耗散率和平均湍流動能均為最大，這是由于相同水速下，管徑增大水流量變大，單位質量動能增大致使剪切力和湍流強度變大導致的。所以選擇模型33為進一步研究的基礎。

2.14 曝氣器混合效果對比

圖14為第一代～第三代最優工況下的水相體積云圖。第二代供氣式低壓射流曝氣器，工況為水速1.5 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑40 mm[8]。第一代低壓供氣式低壓射流曝氣器工況為水速3 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑40 mm[9]。第三代供氣式低壓射流曝氣器工況為水速0.5 m/s，氣速10 m/s，進氣口直徑20 mm。從混合效果和工況可以看出，此次優化不僅混合效果有了明顯的提升，還將進氣流量、進水水速、水流量降的更低了，這樣降低了對電的能耗，起到節能環保的作用。

3 結論

3.1 為了提高供氣式低壓射流曝氣器的氧傳質速率和混合效果，本課題對比了第一代和第三代曝氣器的模擬結果，通過流線圖和液相體積云圖發現，新設計的第三代供氣式低壓射流曝氣器在同工況下，其混合效果明顯好于第一代。并且本課題通過流線圖發現了第三代供氣式低壓射流曝氣器的初次設計存在缺陷，于是將一級噴嘴左右兩端填封，使得湍流前移，達到增加氧傳質效果的目的。

3.2 本課題對于第三代曝氣器的幾個重要結構參數進行了模型構建和數值模擬，計算并分析了這些參數的改變對新設計的曝氣器所帶來的影響，同時優化出了最佳的參數數據。最佳參數為一級管徑86 mm ，一級噴嘴直徑36 mm ，進氣管直徑20 mm ，進氣管長82 mm ，混合室直徑140 mm ，混合室長400mm ，二級噴嘴直徑55 mm ，開孔孔徑3 mm ，開孔規模為均勻分布7列，每列8個。

3.3 相較第一代與第二代射流曝氣器所做的改進，此次改進，非常明顯的提升了混合結果，且在其理論上降低了能耗。

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（責任編輯：黃舉）