曾夢瑋，薛波，林華，岳婷

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上流式水輪曝氣機(jī)CFD仿真分析

曾夢瑋1，薛波2，林華1，岳婷1

（1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063；2.方圓標(biāo)志認(rèn)證集團(tuán)四川有限公司，四川 成都 610014）

為保證曝氣機(jī)的性能滿足設(shè)計(jì)要求，對曝氣機(jī)水力模型進(jìn)行三維建模，基于-多相湍流模型，通過對擴(kuò)散過程、傳質(zhì)過程和氣液兩相流理論的分析，利用ANSYS CFX有限元仿真軟件，對曝氣機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。得到曝氣機(jī)內(nèi)部流場的速度分布圖和壓力分布圖，計(jì)算了曝氣機(jī)作用下的水體含氧量及曝氣機(jī)效率兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，利用計(jì)算流體動力學(xué)進(jìn)行三維多相湍流數(shù)值模擬得到的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)需求，為曝氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考和指導(dǎo)。

曝氣機(jī)；多相湍流；水體含氧量；曝氣機(jī)效率

隨著科技發(fā)展及人口增加，人類社會對水資源的壓力不斷增大，污水治理成為世界各國關(guān)注的問題。近年來對河流污水處理普遍采用的方法是通過機(jī)械設(shè)備往水體中曝氣，也就是強(qiáng)制充入純氧或空氣，使水體不斷與氧氣或空氣接觸，提高水體中的溶解氧的比例。曝氣機(jī)是一種應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)中的節(jié)能環(huán)保新型設(shè)備，通過曝氣機(jī)的作用，增加空氣融入，加快水中有機(jī)物的分解，增強(qiáng)河流的自身凈化水平，降低藻類植物以及厭氧菌在水體中的繁殖，達(dá)到去除河流黑臭的效果。

本次分析以自主設(shè)計(jì)的上流式水輪曝氣機(jī)為研究對象，通過理論分析和仿真模擬相結(jié)合的方法，研究在曝氣機(jī)作用下水流的含氧量及曝氣機(jī)的效率是否達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

1 曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)原理

現(xiàn)有的普通水輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 普通水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用的上流式水輪曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，是在現(xiàn)有水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，取消水輪機(jī)尾水管，使其采用垂直向上流道和接近尾水表面的開放出流。這種水輪機(jī)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用向上開放出流，尾水直接接觸大氣，增加水體中的空氣融入；轉(zhuǎn)輪出來的剩余的動能使得尾水與大氣發(fā)生劇烈的攪拌，從而改善出口水流的通氣狀況；建設(shè)和維護(hù)的時(shí)間和成本降低。

2 曝氣過程相關(guān)理論

2.1 擴(kuò)散過程

擴(kuò)散過程的推動力是物質(zhì)在界面兩側(cè)的濃度差，物質(zhì)分子從濃度較高的一側(cè)向著較低的一側(cè)擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移。擴(kuò)散過程中的基本規(guī)律可以用菲克定律[1]概括，即物質(zhì)的擴(kuò)散速率與濃度梯度呈正比關(guān)系：

式中：νd為擴(kuò)散速度；DL為擴(kuò)散系數(shù)；C為物質(zhì)濃度；x為開始過程的距離；dC/dx為濃度的梯度。

2.2 傳質(zhì)過程

曝氣時(shí)氣泡在上浮過程中使氧氣不斷進(jìn)入污水，可采用雙膜理論解釋其傳質(zhì)過程，則液膜內(nèi)氧傳遞的微分方程和積分形式為[2]：

（1）增大曝氣量來增大氣液接觸面積；

（2）減小氣泡尺寸；

（3）加強(qiáng)液相主體紊流程度，降低液膜厚度，加速氣液面的更新；

（4）增加曝氣池深度來增大氣液接觸時(shí)間和面積，從而提高K值；

（5）提高氣相中的氧分，如采用純氧曝氣，以避免水溫過高來提高C值。

2.3 氣液兩相流基本理論

（1）流量

式中：為質(zhì)量流量，kg/h；G為液相質(zhì)量流量，kg/h；G為氣相質(zhì)量流量，kg/h；為體積流量，m3/h；Q為液相體積流量，m3/h；Q為氣相體積流量，m3/h。

（2）流速

式中：為質(zhì)量流速，kg/(h·m2)；1為管道截面積，m2；A為氣相流通面積，m2；A為液相的流通面積，m2；W為氣相的平均速度，kg/(h·m2)；W為液相的平均速度，kg/(h·m2)。

假定管道全部流通面積被兩相混合物中的某一相單獨(dú)占據(jù)時(shí)的氣相和液相的真實(shí)流速分別為：

（3）滑差和滑動比

在管道中氣相和液相速度一般是不相等的，兩者之間的差值即為滑差：

滑動比為氣液相速度比值，即：

（4）含氣率

質(zhì)量含氣率為：

體積含氣率為：

截面含氣率為：

將Q＝AW、Q＝AW、G＝AWρ、G＝AWρ[3]分別代入式（11）和式（12），聯(lián)立解得三種含氣率之間的關(guān)系為：

式中：ρ、ρ分別為氣體密度與液體密度。

3 有限元仿真分析

3.1 三維建模

通過三維建模軟件對曝氣機(jī)的水體部分進(jìn)行建模，結(jié)果如圖3所示，水體圖包含兩個(gè)部分，其中外側(cè)為靜止流體部分，中部為葉輪旋轉(zhuǎn)水體部分。

圖3 水體流道圖

3.2 仿真流程

使用ANSYS V17.0軟件中的流體處理模塊CFX進(jìn)行仿真求解和數(shù)據(jù)提取。

3.2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分均采用四面體網(wǎng)格（Tetrahedrons Method）方式，劃分精度選取最高級（fine），劃分結(jié)果如圖4所示，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)360865個(gè)、單元1965218個(gè)。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2.2 進(jìn)口邊界設(shè)置

進(jìn)口與出口邊界設(shè)置如圖5所示。

圖5 流道進(jìn)出口邊界設(shè)置

3.2.3 流場分析設(shè)置

將劃分網(wǎng)格好的模型導(dǎo)入CFX-Pre中，如圖6所示。

3.2.4 定義多相的特性

定義第一相水和第二相空氣，本次分析定義為不可壓縮的液態(tài)水，密度997.0 kg/m3、動力粘性8.899E-4 kg/(m·s)。同時(shí)定義空氣與水之間的交互作用。

圖6 導(dǎo)入模型到CFX中

3.2.5 公式編輯

本曝氣機(jī)主要考核的技術(shù)指標(biāo)為兩項(xiàng)：

（1）向水體充入的含氧量不低于1～2 kg/（kW·h）；

（2）曝氣機(jī)效率不低于80%。

因此，本次仿真分析將含氧量與效率作為監(jiān)控的目標(biāo)。

水泵葉輪效率為：

式中：為水泵葉輪效率；P為有效功率；為軸功率。

設(shè)揚(yáng)程為myH、軸功率為myPower、效率為myEfficient，則可得到并輸入以下公式：

myEfficient=Qinlet*9.8[kgs^-2]*myH/myPower

myH=(massFlowAve(TotalPressureinStnFrame)@inlet)/997.0[kgm^-3]*9.8[ms^-2]

myPower=-1.0*(torque_z()@blades+torque_z()@hub+torque_z(()@shroud)*RotationVelocity

本次葉輪的旋轉(zhuǎn)軸為軸，因此提取軸方向葉輪表面的扭矩。

輸入其余的邊界條件，根據(jù)曝氣機(jī)工況參數(shù)，流量0.186 m3/s、轉(zhuǎn)速650 r/min，選擇SST湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

3.3 結(jié)果分析

采用CFX-Post(Results)軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取分析。

3.3.1 總體流場分布

流場速度（3D流線）分布如圖7所示，當(dāng)水流進(jìn)入葉輪區(qū)域后速度明顯增大，葉輪附近平均流速在5～11 m/s、最大值為15.2 m/s。選取其中一個(gè)橫截面觀察其壓力分布如圖8所示，可以看出葉輪周圍的壓力明顯大于其余部分。

通過圖7中的3D流線分布可知，液體的高速區(qū)域位于轉(zhuǎn)輪氣液混合區(qū)域、導(dǎo)葉區(qū)域和出口區(qū)域，液體流速由轉(zhuǎn)輪水口區(qū)至轉(zhuǎn)輪出口區(qū)逐漸增加，在出口達(dá)到最大值，之后開始遞減。通過圖8可以看出，轉(zhuǎn)輪區(qū)域處于高壓，轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)壓力從進(jìn)口往出口逐漸增加，在葉輪出口達(dá)到最大值，之后逐漸降低。

圖7 流場速度分布

轉(zhuǎn)輪中心區(qū)域速度和壓力都較低，且低壓區(qū)域一直沿著葉片根部往出口延伸。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)輪中心區(qū)域內(nèi)流體為氣體，跟隨曝氣機(jī)一起旋轉(zhuǎn)對液體做功，在離心力作用下外界氣體沿著曝氣機(jī)吸入轉(zhuǎn)輪內(nèi)，因此轉(zhuǎn)輪內(nèi)整個(gè)區(qū)域壓力為負(fù)壓。

3.3.2 空氣在水中的溶解度

空氣對水屬于難溶氣體，它在水中的傳質(zhì)速率受液膜阻力控制，此時(shí)空氣的傳質(zhì)速率可表示為[4]：

＝K(*－)＝KΔ（19）

式中：為空氣傳質(zhì)速率，kg/(m2·h)；K為液相總傳質(zhì)系數(shù)，m3/(m2·h)；*和分別為空氣在水中的平衡濃度和實(shí)際濃度，kg/m3。

空氣在水中的溶解平衡用亨利定律表示為：

＝Kp（20）

式中：為空氣在水中的溶解度，L/m3；K為不同溫度下空氣在水中的溶解度系數(shù)，L/(kPa·m3)；為溶液上方的空氣平衡分壓，kPa

讀取葉輪附近的平均壓強(qiáng)為12980 Pa，溫度設(shè)為20℃，則K值為0.158，計(jì)算得此時(shí)空氣在水中的平衡溶解量為22.40 ml/L。換算成含氧量汽耗率為2.41 kg/(kW·h)。已經(jīng)超過設(shè)計(jì)所需的2 kg/(kW·h)，說明含氧量這項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 不同方向截面壓力分布圖

3.3.3 效率曲線

通過圖9所示的效率曲線可以看出，當(dāng)效率曲線穩(wěn)定后，其值為84.5%，已經(jīng)超過設(shè)計(jì)所需的80%，證明了本曝氣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖9 效率曲線

4 結(jié)論

本文通過理論計(jì)算與有限元仿真相結(jié)合的方式，仿真了上流式水輪曝氣機(jī)的工作情況，利用ANSYS－CFX軟件，通過多相湍流模型，依據(jù)仿真結(jié)果得到了兩相流場情況的變化規(guī)律，驗(yàn)證了本曝氣機(jī)的實(shí)際工況效果，其兩項(xiàng)指標(biāo)均高于設(shè)計(jì)要求。本次仿真分析表明此上流式水輪曝氣機(jī)能夠達(dá)到增加水中含氧量，從而達(dá)到改善河道水質(zhì)的目的。

[1]王一平，黃偉飛. 02BG復(fù)葉式節(jié)能曝氣機(jī)的性能及其應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程，1999，17（6）：25-27.

[2]孫從軍，張明旭. 河流曝氣技術(shù)在河流污染治理中的應(yīng)用[J].環(huán)境保護(hù)，2001（4）：12-16.

[3]周云龍，孫斌，陳飛.氣液兩相流型智能識別理論及方法[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]程文，宋策，周孝德. 曝氣池中氣液兩相流的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2001（12）：32-34.

[5]蘭林強(qiáng)，羅偉林. 基于參數(shù)化建模和CFD數(shù)值模擬的船舶球鼻艏優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程，2016，33（11）：1329-1333.

CFD Simulation Analysis of Upflow Turbine Aerator

ZENG Mengwei1，XUE Bo2，LIN Hua1，YUE Ting1

(1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute,Chengdu 610063, China; 2.China Quality Mark Certification Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610014, China)

The three-dimensional modeling of the aerator hydraulic is created to ensure the performance of the aerator to meet the design requirements. Based on the k-ω multiphase turbulence model, ANSYS CFX finite element simulation software is used to simulate the internal flow field of the aerator. In the process, the paper analyzes the diffusion process, mass transfer process and gas-liquid two-phase flow theory. The velocity profile and pressure distribution chart of the flow field inside the aerator are obtained. Two main technical indexes of the oxygen content of the aerator and the aerator efficiency are calculated. The results show that the two technical indexes, which are obtained from numerical simulation of three-dimensional multiphase turbulence through computational fluid dynamics, meet the design requirements. The research finding provides reference and guidance for the optimal design of the aerator.

aerator；multiphase turbulence；oxygen content in liquid；aerator efficiency

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.005

1006－0316 (2018) 06－0032－06

2017－12－26

曾夢瑋（1989－），女，四川自貢人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。