進口氣速對水力噴射空氣旋流器內湍動能分布影響

李文生,謝辛娟,張 昊,邱發成

(重慶理工大學 化學化工學院， 重慶 400054)

0 引言

隨著我國工業化進程的不斷加快，環境污染，特別是水生態環境污染問題，已成為制約著我國經濟與社會可持續發展的瓶頸。在水污染治理領域中，氨氮廢水的排放量遠高于受納水體環境的容量，并超過COD，成為地表水體的主要污染源，是影響我國水生態環境保護領域的一個重要問題[1]。氨氮廢水大量排入水體，不僅會導致水體富營養化、黑臭，過高的氨氮甚至可能激發水域內生物的熵變，毒害生物[2]。為此，氨氮廢水的資源化與無害化處理已成為水治理領域中的關鍵工作。

目前，國內外已經對氨氮廢水處理方面開展了較多研究，包含生物法、物理法和化學法等多種處理工藝。其中，物化吹脫法由于具有設備簡單、易于操作、氨氮廢水處理效果穩定、氨氮可回收利用等優點，因而在國內外高濃度氨氮廢水資源化預處理領域得到了廣泛的應用[2-3]。在高濃度氨氮廢水的實際吹脫過程中，其傳質與分離過程的相互耦合模式常影響著處理進程的成效[4]。為此，團隊從液體射流與氣體旋流耦合的角度出發，開發了處理水力噴射空氣旋流器[5]。

1 數值模擬

1.1 控制方程

1.1.1雷諾應力模型

(1)

DT, jj+Pij+φij+εij

(2)

ρ為流體的密度。上式(2)中左邊公式兩項依次表示為瞬態項和對流項。上式(2)的右邊四項式子，依次表示為湍流擴散項、壓力產生項、壓力應變項和耗散項，其具體表達式見文獻[16]。

1.1.2VOF模型

為了精確地獲得水力噴射空氣旋流器內復雜的氣液兩相流動行為，采用了VOF模型對其進行描述[17]。研究表明，VOF模型[18]可以較好地描述該復雜的相界面流動情況，并且能夠獲得較好的湍動分布規律。該VOF模型中主要采用氣液兩相界面的體積分數方程對相分布規律進行描述，其體積分布方程如下：

(3)

式中：式右邊中的mpq為第p相流體向q相流體進行質量傳遞。同理的，mqp為第q相流體向p相流體進行質量傳遞。此外，αq為第q相流體的體積分數，sαq為第q相流體的源定義項。

控制流域內流體的動量方程如下：

▽[μ(▽u+▽uT)]+ρg+F

(4)

式中:F為氣液兩相流中表面張力產生的動量方程源相。該式子的物理表達方程，可根據Brackbill[19]提出的連續表面模型(CSF)得出，其具體的表達式如下：

(5)

式(4)-(5)中：αg、αl分別為整個流域中氣相空氣和液相水所占的體積百分比。F為表面張力的等價體積力形式；t為時間；p為壓強；μ為流體動力黏性系數。

1.2 模擬條件與模型驗證

前期已對水力噴射空氣旋流器射流霧化過程、壓力、耦合空間處流場等進行了研究，本部分主要考察進氣速度對WSA內湍動行為的影響。因而，本部分工作的采用模擬邊界條件、網格和結構參數、網格無關性以及模型驗證都與文獻[10]保持一致，具體見文獻[12]。

2 結果與討論

2.1 豎直平面上的湍動能分布

為了深入探究射流與旋流耦合作用下兩相流動過程中湍動行為變化，主要考察不同進口氣速下(12.44、14.22、16.89 m/s)，不同平面處湍動能分布情況。一般來講,湍動能是湍流速度漲落方差與流體質量乘積的1/2，湍流動能k的公式可表示為：

(6)

式中：u表示平均速度；I表示湍流強度。

如圖1所示，湍動能的分布具有一定的相似性，即在WSA的溢流管與旋流器壁之間，環隙區域沿徑向的湍動能變化不大，而在溢流管區域出現較大的特征分布。特別地，在溢流管底部下軸向位置上，湍動能分布具有相似性，呈兩邊高、中間低的不對稱鞍形[20]。隨著進口氣速的增加，這種“不對稱鞍形”的特征更為明顯，且溢流管中上段也出現了局部小區域的較大值湍動能分布。一般來講，對于單旋風進口來看，常常會在旋風進口的背風面存在一定區域的回流區，這種區域的分布可能會引起湍動能的變化。如圖1箭頭所指區域，隨著進口氣速的增加，湍動能在旋風進口背面區域由無區域分布到出現區域分布，在氣速等于14.22 m/s時湍動能的分布區域最大。

圖1 在豎直平面上的湍動能分布云圖

2.2 不同水平面上的湍動能分布

為了深入探究WSA內湍動能的分布特性，本部分工作考察了旋流與射流耦合空間的上(Z=40 mm)、中(Z= 86.8 mm)、下(Z= 118 mm)3個層面的情況進行模擬分析。如圖2所示，WSA內壁與溢流管外壁的環隙區域沿徑向方向的湍動能分布相似且分布特征不明顯。對于溢流管所在平面來看，接近溢流段底部區域的湍動能明顯較大，沿軸向向上方向逐漸減小。接下來，還考察了上述平面的速度適量分布，旨在為湍動能研究提供指導。如圖3所示，溢流管內流體流動向上，且速度的較大值分布也出現在該區域。隨著氣速增加，在溢流管區域的速度也逐漸增加，而WSA內壁與溢流管外壁的環隙區域速度的增加幅度不大。這也與湍動能分布特征基本相似。為了研究兩相流動體系中氣含率分布與湍動能分布的相關性，考察了不同水平面處的氣含率分布情況。如圖4所示，射流柱在旋風作用下發生一定斷裂、破碎等行為，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2個平面的溢流管外壁出現了一定的氣相分布。然而在相同位置處的湍動能分布中未出現相應的特征分布。

圖2 不同水平面內的湍動能分布云圖

圖3 不同水平面內的速度適量分布云圖

圖4 不同水平面內的氣含率分布云圖

2.3 不同氣速條件下湍動能的空間分布

為了更加直觀地研究WSA內的湍動能分布，考察了反應器內部湍動能的三維空間分布特征，如圖5所示。具體來看，主要考察了不同氣速條件下湍動能等于5、10、15、20 J/kg的三維空間分布情況。如圖所示，在相同氣速條件下，隨著湍動能等值面的增加，湍動能的分布區域逐漸縮小，符合湍動能的分布規律。總的來看，溢流管與WSA之間的環隙空間內湍動能沿徑向方向的分布區域明顯小于溢流管內。從圖5(a)中等值面等于20 J/kg可以看出，較大的湍動能主要分布在溢流段底部區域。同時，隨著等值面數值的不斷增加，溢流管內的湍動能分布區域逐漸減少。隨著進口氣速的增加，溢流管的湍動能明顯增加。研究表明，湍動能來源于時均流，主要依靠雷諾切應力做功供給湍流進而提供能量[19]。結合WSA內湍動能分布規律，可以看出溢流管區域內的湍流從時均流中獲得的能量較多，也就是時均流在該區域的能量損失于湍流的量較大，特別是在溢流管軸向向下段區域。

圖5 不同進口氣速條件下湍動能在整個空間的分布云圖

3 結論

1) 在溢流管底部下軸向位置上湍動能分布具有相似性,呈兩邊高、中間低的不對稱鞍形。隨著進口氣速的增加，這種“不對稱鞍形”的特征更為明顯，且溢流管中上段也出現了局部小區域的較大值湍動能分布。

2) 射流柱在旋風作用下發生一定斷裂、破碎等行為，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2個平面的溢流管外壁出現了一定的氣相分布。在相同位置處的湍動能分布中未出現相應的特征變化。

3) 溢流管區域內的湍流從時均流中獲得的能量較多，也就是時均流在該區域的能量損失于湍流的量較大，特別是在溢流管軸向向下段區域。