王蒙， 程文， 孫楠， 魏江偉， 程文娟

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048； 2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002； 3.長慶油田公司第五釆油廠釆油工藝研究所，陜西 西安 710200)

不同高徑比下氣液兩相流流場結(jié)構(gòu)的實驗研究

王蒙1， 程文1， 孫楠2， 魏江偉3， 程文娟1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048； 2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002； 3.長慶油田公司第五釆油廠釆油工藝研究所，陜西 西安 710200)

氣液兩相流是好氧曝氣過程中產(chǎn)生的一種復(fù)雜的氣液流動形態(tài)，其流型、流態(tài)對曝氣反應(yīng)器的運行效率具有重要的影響。本研究使用高速攝影機獲得氣泡羽流的流場圖像，再經(jīng)圖像處理和數(shù)值計算來研究氣泡羽流的空隙率參數(shù)，測得空隙率值在氣泡羽流中的分布，并結(jié)合羽流擺動頻率對不同縱橫比下的羽流運動情況進行分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時，氣液兩相流的流場分布均勻，頻譜穩(wěn)定，能形成穩(wěn)定的氣液環(huán)流，使氣泡在液相中的停留時間變長，可以有效地提高氧傳質(zhì)的效率，改善曝氣效果。

曝氣； 氣液兩相流； 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)； 縱橫比； 氧傳質(zhì)效率

曝氣是污水好氧生化處理系統(tǒng)中的一個重要工藝環(huán)節(jié)，是將空氣中的氧通過氣液接觸，強制轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器中液體的過程，可以為生化處理中的微生物提供必要的溶解氧，同時曝氣還可以提高池內(nèi)水流的湍動程度，保證氧傳質(zhì)效果[1]。曝氣裝置廣泛應(yīng)用于實際工程特別是污水處理設(shè)施中，提高曝氣效率可以有效提高污水處理能效，因此，對曝氣裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義[2]。

氣液反應(yīng)器是以氣體為動力，形成氣液混合物的整體有序循環(huán)，所形成的氣液兩相流可以有效的增加反應(yīng)器中的傳質(zhì)效率。根據(jù)Vandu[3]等的研究發(fā)現(xiàn)，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa隨表觀氣速的增加而增大，氧轉(zhuǎn)移效率EA卻隨表觀氣速的增大而略有下降，所以，氣液兩相流結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與氧傳質(zhì)的效率密切相關(guān)。研究氣液兩相流的運動規(guī)律，增加氣泡在水中的停留時間，可以增加氣相與液相的接觸時間和面積，形成有效的氣液循環(huán)，提高曝氣裝置的運行效率。在本項研究中，使用高速攝影機獲得氣液兩相流的流場圖像，再經(jīng)過數(shù)字圖像處理得到流場的灰度分布，并通過平均灰度與投影空隙率的相關(guān)曲線，計算出氣液兩相流在不同工況條件下空隙率的二維分布[4-5]，再使用快速傅立葉變換得到羽流擺動的頻率和峰值，并對實驗獲取的流場特征參數(shù)進行分析對比，最終得出優(yōu)化的曝氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 實驗研究

實驗裝置如圖1所示，用一個長方形有機玻璃容器模擬曝氣池，尺寸為矩形面長800 mm，寬300 mm，側(cè)面厚40 mm，在實驗中通過空氣壓縮機由底部氣針為容器供氣，模擬曝氣。實驗中使用的水為純水，實驗環(huán)境溫度為18～20 ℃。實驗中設(shè)定的控制參數(shù)如下：氣體通量為Q，控制在(2.95～3.95)×10-5m3/s之間，容器的縱橫比為H/W，選取1.0、1.5、2.0三種工況條件，氣泡半徑為R，由所得的一系列圖像經(jīng)處理計算后得到。

2 空隙率分布測量

本研究中，通過圖像處理技術(shù)，對實驗中獲取的氣液兩相流運動圖像進行處理，其原理是利用流場中氣泡的不互相重疊部分，計算氣泡的平均灰度，再根據(jù)流場空隙率與圖像灰度間的關(guān)系，得到氣液兩相流流場的空隙率分布[6-7]。

投影空隙率是指劃分平面上的體積網(wǎng)格中，氣相所占的百分比，空隙率可通過投影空隙率的二維坐標獲得，再根據(jù)氣泡的灰度變化情況，即可得到氣泡的局部平均灰度與投影空隙率間的相關(guān)曲線。投影空隙率的計算公式如式(1)：

(1)

式中，R為氣泡半徑，As指單位網(wǎng)格的投影面積，AsL為單位網(wǎng)格體積，N為氣泡數(shù)量。

根據(jù)Murai等的研究，當(dāng)N個氣泡中的1個氣泡的投影面積為Ab時，氣泡的投影率為：

(2)

體積網(wǎng)格的氣泡平均灰度值可由式(3)計算：

(3)

式中，i,j是圖像區(qū)域橫坐標與縱坐標的像素坐標值，f(i，j)為實驗測量位置的計算灰度值。

當(dāng)有N個氣泡在劃分的單位網(wǎng)格中時，氣泡平均灰度計算公式如式(4)：

(4)

式中，m、n是圖像區(qū)域橫坐標與縱坐標的像素值，B0為背景灰度值。

在三種不同的縱橫比下，根據(jù)獲得的平均灰度值與投影空隙率的相關(guān)曲線，可以得到氣液兩相流空隙率值的二維分布[8]。其相關(guān)曲線如圖2所示。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，氣液兩相流的運動形態(tài)會受到諸多因素的影響，其中縱橫比是影響氣液兩相流運動形態(tài)的主要因素之一[9]。在本研究中，實驗分析了在15 kPa的壓力下，三種不同縱橫比條件下的氣液兩相流流場和空隙率的變化。本研究從27種實驗工況中，選取了表觀氣速及空隙率變化較大的三種工況進行分析，并對氣液兩相流的流型、流態(tài)進行了對比。三種實驗工況(Pa=15 kPa)見表1。

當(dāng)壓強為15 kPa時，三種縱橫比下氣液兩相流的形態(tài)、平均灰度與空隙率分布如圖3～5所示。

當(dāng)縱橫比為1.0時，氣液兩相流的運動變化主要在底部，由于液相深度較淺，整個氣泡羽流流場稍顯收縮，整體流場能形成穩(wěn)定的擺動結(jié)構(gòu)，并有部分氣泡在上升至流場頂部后，沿邊壁向下運動。

流場中的空隙率值分布均勻，約為8%，氣相體積對氣液兩相流的影響較小，氣液兩相流保持穩(wěn)定的運動狀態(tài)、穩(wěn)定的流場結(jié)構(gòu)和氣液循環(huán)，增加了氣泡在液體中的接觸面積和時間，有利于氧在液體中傳質(zhì)效率的增加[10-11]。

當(dāng)縱橫比為1.5時，氣液兩相流的運動變化主要在中部，氣液兩相流沿著中心線上升，并在上升過程中逐漸出現(xiàn)雜亂無章的曲折擺動，達到頂部時羽流遭到破壞，最大空隙率值均勻分布于氣液兩相流中心和頂端的位置，在10%左右，氣泡在羽流頂端較為集中，氣液兩相流的運動型態(tài)較為穩(wěn)定，但在一定程度上會對氧傳質(zhì)效果有所影響。

當(dāng)縱橫比為2.0時，氣液兩相流呈現(xiàn)蜿蜒上升的蛇形運動，流場擺動明顯，空隙率值約為7%，但流場頂部出現(xiàn)空隙率值較大的區(qū)域，約為20%，導(dǎo)致氣相在流場中分布及不平衡；同時，高縱橫比還造成氣泡在流場頂部聚集，大量氣泡直接溢出水面，形成了不穩(wěn)定的流場結(jié)構(gòu)和較差的氣液循環(huán)，導(dǎo)致氧傳質(zhì)效率低下。

通過對獲得的氣液兩相流圖像進行快速傅立葉變換處理，可以得到以反應(yīng)器中心為原點的羽流擺動頻譜(見圖6)。

對圖中不同縱橫比下的氣液兩相流擺動頻率進行對比，可得出以下幾點。

1) 當(dāng)縱橫比為1.0時，流場中心不同深度的羽流擺動頻率相似，頻譜的峰值呈規(guī)律變化，約為0.01 Hz。穩(wěn)定的擺動頻譜和峰值都表明該縱橫比下的氣液兩相流流場具有很好的穩(wěn)定性。

2) 當(dāng)縱橫比為1.5時，靠近羽流中心區(qū)域的擺動明顯，流場在距離反應(yīng)器中心20～40 mm處向邊壁發(fā)展時，羽流擺動頻率峰值開始出現(xiàn)，約為0.006 Hz，羽流擺動的范圍為0～140 mm，說明羽流流場的擺動并未到達邊壁，無法帶來全場的液相擾動與循環(huán)，這與前文所得的分析結(jié)論一致。

3) 當(dāng)縱橫比為2.0時，羽流在流場底部(15～463 mm)的擺動頻率峰值要遠大于中上部，其頻率峰值約為0.02 Hz。

從以上分析得出，隨著縱橫比的增加，流場中羽流擺動的頻率和運動分布會產(chǎn)生一定的變化，導(dǎo)致流場的循環(huán)能力減弱及不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，在一定程度上影響了流場的液相循環(huán)及液面更新效率。

4 結(jié) 論

本研究使用仿曝氣裝置，通過一系列實驗，來研究不同縱橫比下的氣液兩相流的運動形態(tài)，并利用平均灰度與空隙率間的關(guān)系，得到了氣液兩相流流場的空隙率分布，再通過分析氣液兩相流流場的形態(tài)與空隙率分布，比對羽流的擺動頻率及峰值，得出不同縱橫比下氣液兩相流穩(wěn)定性的結(jié)論，并由此推導(dǎo)曝氣裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過分析，得出以下結(jié)論。

1) 縱橫比是影響氣液兩相流運動形態(tài)的重要因素，當(dāng)縱橫比為1.0時，氣液兩相流的流場分布均勻，頻譜穩(wěn)定。當(dāng)縱橫比變?yōu)?.5和2.0時，流場的循環(huán)范圍減小且結(jié)構(gòu)形態(tài)開始遭到破壞。因此在相同實驗條件下，實驗裝置的縱橫比為1.0時，更有利于改進曝氣效果。

2) 當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時，整個氣液兩相流的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率高；當(dāng)縱橫比為1.5時，氣液兩相流中部的結(jié)構(gòu)和形式最不穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率開始降低；當(dāng)縱橫比為2.0時，氣液兩相流頂部的結(jié)構(gòu)和形式最不穩(wěn)定，氧傳質(zhì)效率最低。

3) 當(dāng)曝氣裝置縱橫比為1.0時，氣液兩相流能形成穩(wěn)定的氣液環(huán)流，氣泡運動到流場頂部后可跟隨氣液循環(huán)，沿邊壁下深至底部區(qū)域，使氣泡在液相中的停留時間變長，這樣可以有效的改善氧傳質(zhì)的效率，優(yōu)化曝氣效果。

[1]李燕飛, 孫迎雪, 田媛,等. 曝氣生物濾池處理生活污水研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2011，05(3):575-578.

Li Yanfei, Sun Yingxue, Tian Yuan,et al. Study on domestic wastewater treatment with biological aerated filter[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2011，05(3):575-578.

[2]陳冬, 陶豫萍. 不同污水處理工藝對水質(zhì)凈化效果的比較[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊, 2013, 27(20):69-70.

Chen Dong, Tao Yuping. Comparison of water quality purification effect by different wastewater treatment process[J]. Environmental Science Survey，2013, 27(20):69-70.

[3]Vandu C O, Krishna R. Influence of scale on the volumetric mass transfer coefficients in bubble columns [J]. Chemical Engineering & Processing, 2004, 43(4):575-579.

[4]侯和平, 郭凱銘, 劉凱, 等. 基于Radon變換與灰度投影積分極值方法的矩形檢測[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報，2014,30(2): 133-138.

Hou Heping, Guo Kaiming, Liu Kai, et al. Rectangle detection based on radon transform and gray projection integral extreme value method[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2014,30(2): 133-138.

[5]田道貴, 孫立成, 高菲,等. 光學(xué)探針在氣液兩相流動局部參數(shù)測量中的應(yīng)用研究[J]. 實驗流體力學(xué)，2012, 26(6):91-95.

Tian Daogui, Sun Licheng, Gao Fei，et al .A study on application of optical probes for the measurement of local parameters in two-phase flow[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6):91-95.

[6]劉文洪,萬甜,程文娟,等.基于圖像二值化處理的氣液兩相流不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分析[J]. 水利學(xué)報，2009，40(11):1369-1373.

Liu Wenhong, Wan Tian,Cheng Wenjuan,et al.Analysis on steady structure of gas liquid two-phase flow in the basis of Image binarization[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2009，40(11):1369-1373.

[7]王秀英. 氣液兩相流含氣率圖像檢測方法[J]. 計算機工程與應(yīng)用,2013, 49(5):36-39.

Wang Xiuying. Method to measure void fraction of gas-liquid two-phase flow based on imaged processing[J]. Computer Engineering and Applications, 2013, 49(5):36-39.

[8]張月皓, 董峰, 許聰,等. 氣液兩相流含氣率超聲測試方法研究[J]. 儀器儀表學(xué)報，2014, 35(9):2094-2101.

Zhang Yuehao, Dong Feng, Xu Cong，et al. Ultrasonic method for gas-liquid two phase flow void fraction measurement[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(9):2094-2101.

[9]吳云, 郭幸斐, 張宏偉,等. 氣液兩相流對氣升式管式MBR膜污染的影響[J]. 中國給水排水, 2013, 29(9)：120-124.

Wu Yun, Guo Xingfei, Zhang Hongwei，et al. Impact of gas-liquid two-phase flow on membrane fouling in air-lift tubular MBR [J].China Water & Wastewater, 2013, 29(9)：120-124.

[10]崔燕平,姚秉華. SMF-MBR工藝對UV254表征的有機污染物處理效果研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報, 2014,30(1): 40-45.

Cui Yanping,Yao Binghua. A study of removal efficiency of UV254 characterized organic pollutions with SMF-MBR process[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2014,30(1): 40-45.

[11]裴燁青, 陳東輝, 周恭明,等. MBBR工藝中不同曝氣方式充氧效率的比較及工程應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程，2011, 29(1):5-9.

Pei Yeqing, Chen Donghui, Zhou Gongming,et al. A comparison of aeration efficiency among various aeration modes for MBBR and its application[J].Environmental Engineering,2011, 29(1):5-9.

(責(zé)任編輯 周蓓)

Experimental study of flow structure of gas liquid two-phase flow under different aspect ratio

WANG Meng1, CHENG Wen1, SUN Nan2, WEI Jiangwei3, CHENG Wenjuan1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology,Xi’an 710048，China； 2.Shanxi Institute of Water Resources and Hydropower Research，Taiyuan 030002，China；3.Oil Recovery plant No.5 Changqing Oilfield Corp. Ltd, Institution of quantitative oil process，Xi’an 710200，China)

The gas liquid two-phase flow is a kind of complex gas-liquid flow morphology produced in the process of oxygen-bearing aeration, whose flow type and flow morphology are of important effect upon the operation of aerating reactor. In this study, the high-speed camera is used to obtain the original images of bubble plume flow field and then the void fraction parameters of the bubble plume flow are studied through the image processing and numerical calculation to measure the distribution of void fraction value in bubble plume flow and in combination with plume swing frequency, the plume flow movement condition under the different aspect ratios are analyzed. The research result indicate that when the aspect ratio of aeration device is 1.0, the flow field distribution of gas-liquid two-phase flow is even with stable frequency spectrum so as to form the stable gas-liquid circulation, whereby making the bubbles study longer in the liquid phase in such a way that oxygen transmission efficiency can be effectively raised and aeration performance can be improved greatly.

aeration；gas liquid two-phase flow；unstable structure；aspect ratio；oxygen transfer efficiency

1006-4710(2015)04-0434-05

2015-06-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51076130)。

王蒙，男，博士生，研究方向為流體力學(xué)與數(shù)值計算。E-mail: qq182172436@163.com。

程文，女，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為流體力學(xué)與數(shù)值計算。E-mail: Wencheng@xaut.edu.cn。

U664.9+2

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