李東方 黃增陽 曾燕平?姜文雍 陳恩亮

摘 要：本文利用Workbench Fluent分析模塊，建立了曝氣裝置射流數(shù)值分析模型，分析了流體內(nèi)部分布情況。在出口擴(kuò)散管收縮角10°、液體進(jìn)口直徑12.5 mm及喉管長(zhǎng)度34.5 mm的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸條件下，筆者探討了不同入口水流量、入口空氣壓力以及出口背壓壓力工藝參數(shù)下的流體域壓力和速度的分布情況。數(shù)值研究結(jié)果可為曝氣裝置實(shí)際工程應(yīng)用中的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：曝氣裝置;數(shù)值分析;工藝參數(shù);Fluent

中圖分類號(hào)：TP391.9;O359文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0029-03

Abstract： By using the Workbench Fluent analysis module， this paper established a numerical analysis model of the jet flow of the aeration device and analyzed the internal distribution of the fluid. Under the conditions of the outlet diffuser tube shrinkage angle of 10°， the liquid inlet diameter of 12.5 mm and the throat length of 34.5 mm， the author discussed the distribution of fluid domain pressure and velocity under different process parameters of inlet water flow， inlet air pressure and outlet back pressure. Distribution. The results of the numerical research can provide basic data for the optimization of the mechanical structure in the actual engineering application of the aeration device.

Keywords： aeration device;numerical analysis;process parameters;Fluent

現(xiàn)代工業(yè)中的曝氣是指采用向水中充氣、機(jī)械攪拌等方式，增加空氣與水體之間的接觸，實(shí)現(xiàn)廢水需氧生物處理的一種中間工藝。本文根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，利用Workbench Fluent分析軟件，研究特定曝氣裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)條件下的不同進(jìn)口水流流量、空氣入口壓力以及出口背壓下的流體域壓力和速度分布情況。

1 建立數(shù)值分析模型

1.1 簡(jiǎn)化模型及劃分網(wǎng)格

一般曝氣裝置[1]的主要結(jié)構(gòu)包括噴嘴、進(jìn)氣管、混氣管和擴(kuò)散管。本文所研究的曝氣裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

為了分析曝氣裝置的入口速度、入口壓力以及出口背壓等工藝參數(shù)對(duì)曝氣效果的影響，下面利用ANSYSWorkbench軟件的Fluent[2]模塊對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究。曝氣裝置Fluent分析流程框圖如圖2所示。

根據(jù)分析模型的幾何、邊界條件的對(duì)稱性，本文把流體域簡(jiǎn)化成二分之一對(duì)稱模型。使用Autodesk Inventor三維繪圖軟件，對(duì)簡(jiǎn)化后的流體域進(jìn)行幾何模型建立，然后導(dǎo)出中間格式文件，啟動(dòng)Workbench軟件，導(dǎo)入上述簡(jiǎn)化的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置，同時(shí)對(duì)液體入口、氣體入口以及混合相出口、對(duì)稱面進(jìn)行定義，便于后續(xù)邊界條件施加，通過多次模型計(jì)算調(diào)試，最終獲得220萬～230萬單元格個(gè)數(shù)的網(wǎng)格模型。

1.2 設(shè)定材料特性、邊界條件及求解參數(shù)

左側(cè)入口液態(tài)水邊界為入口速度，上部入口空氣邊界為入口壓力。液氣混合出口邊界為出口壓力。材料為液態(tài)水和空氣，其特性如表1所示。求解設(shè)置Realizable k-ε湍流模型和相應(yīng)的Wall函數(shù)，取0.073作為相間表面張力參數(shù)，在Gravity中輸入重力加速度（Z方向）為-9.81 m/s2。所有材料的湍流強(qiáng)度取作5%。本研究采用對(duì)稱邊界定義幾何對(duì)稱面。

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

下面對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，設(shè)定某一參數(shù)為變量，其他參數(shù)為定值，獲得不同計(jì)算模型。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，分析影響流體域分布情況的因素。如無特殊標(biāo)明，模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

接下來探究不同曝氣裝置的入口速度、入口壓力及出口背壓等工藝參數(shù)對(duì)曝氣效果的影響。統(tǒng)一使用提取曝氣裝置中心軸向位置（X）上的流體運(yùn)動(dòng)速度和壓力分布數(shù)據(jù)的方法，使用Origin繪圖軟件繪制相關(guān)曲線。

2.1 不同入口流量Q1下的分布規(guī)律

下面取Q1分別為12、18、24 m3/h的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖3可知，隨著流量的增大，速度最大值出現(xiàn)在約0.15 m的位置，即喉管靠近出口的位置處，對(duì)應(yīng)Q1下的最大速度分別是113.00、117.00、197.00 m/s;壓力總體上趨于減小，介于0.06～0.12 m，壓力保持相對(duì)平穩(wěn)，隨后在約0.15 m處降到最低，之后趨于上升，在此過程中的最大壓力分別是-4.17、-4.70、-9.50 MPa。

2.2 不同入口壓力pi2下的分布規(guī)律

下面取pi2分別為0.1、0.2、0.3 MPa的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖4可知，雖然空氣入口壓力增大，但中心軸向位置上的速度和壓力分布趨勢(shì)相同，而且大小較為接近，速度最大值分別是87.70、90.20、82.6 m/s，最大壓力分別是-3.63、-3.98、-3.50 MPa。由此可知，空氣入口壓力對(duì)速度和壓力分布的影響不大。

2.3 不同出口背壓po3下的分布規(guī)律

曝氣裝置出口背壓大小取決于曝氣裝置中心距離水面的深度，即水深壓力。背壓為0，表示出口完全暴露在空氣中。下面取背壓po3分別為500、7 357.5 Pa（對(duì)應(yīng)水深0.5 m）和14 715 Pa（對(duì)應(yīng)水深1 m）的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖5可知，雖然背壓增大，但是中心軸向位置上的速度和壓力分布趨勢(shì)相同，同樣的大小較為接近，速度最大值分別是87.70、72.10、75.10 m/s，壓力最大值分別是-3.63、-3.02、-3.16 MPa。由此可見，出口背壓大小對(duì)速度和壓力分布的影響不大。

3 結(jié)論

本文采用Workbench Fluent分析模塊，對(duì)曝氣裝置內(nèi)部流場(chǎng)三維有限元模型進(jìn)行分析。通過同一機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸下的模型分析，筆者得到了不同工藝參數(shù)下的流體域的速度和壓力分布情況。液態(tài)水入口流量對(duì)流體域的速度和壓力分布影響較大，而空氣入口壓力和出口背壓對(duì)流體域的速度和壓力分布影響不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡坤，胡婷婷，馬海峰，等.ANSYS CFD入門指南計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：12.

[2]田杰，李少波，馮景偉，等.基于CFD的射流曝氣器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].機(jī)械工程師，2011（8）：22-24.