于米滿，姬愛民

（華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063200）

氣浮池作為一種有效的凈水裝置，包括接觸區(qū)與分離區(qū)，其中接觸區(qū)是氣浮池中溶氣水（即從飽和裝置中流出的加壓溶氣水）與待處理污水開始相互接觸的場所[1-2]。平流式氣浮池凈水系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示，溶氣水中被加壓溶解的空氣在接觸區(qū)當(dāng)中迅速釋放出直徑約為10～100 μm 的微小氣泡，然后這些氣泡迅速與污水中的顆粒物進(jìn)行相互作用，最后氣泡攜帶顆粒物在分離區(qū)中實現(xiàn)分離[3-4]，達(dá)到降低污水中BOD、COD、SS 含量的目的。由于回流比、溶氣壓力、接觸區(qū)中氣泡的尺寸、濃度等參數(shù)對氣浮分離效率起到?jīng)Q定性作用，因此需要對接觸區(qū)中氣泡的運(yùn)動進(jìn)行研究[5-7]。

圖1 平流式氣浮池凈水系統(tǒng)示意圖[8]

目前關(guān)于氣浮過程中氣泡運(yùn)動特性研究的焦點(diǎn)主要在于氣浮過程的水力工況操作對氣泡運(yùn)動的影響，如陳阿強(qiáng)[9]等在僅考慮氣泡聚并行為的前提下從液相速度梯度、污水處理量以及溶氣水回流量對氣泡聚并行為進(jìn)行了數(shù)值仿真和實驗研究；張義科[10]等以實驗方法評價了溶氣壓力、溶氣釋放器結(jié)構(gòu)、表面活性劑濃度等對接觸區(qū)氣泡直徑分布的影響；王晨[11]等從溶氣壓力、溶氣釋放器結(jié)構(gòu)及其個數(shù)對接觸區(qū)中氣泡的生成規(guī)律開展了實驗研究。

然而上述仿真和實驗研究均缺乏針對接觸區(qū)中氣泡破碎可能性的評估，因此以陳阿強(qiáng)[9]等的數(shù)值模擬工況為基礎(chǔ)，結(jié)合CHEN[8]等關(guān)于最小渦尺寸的研究，針對氣浮氣浮池接觸區(qū)中氣泡聚并行為進(jìn)行數(shù)值仿真，同時對忽略接觸區(qū)中氣泡破碎行為的正確性做出論證。

1 求解方法及設(shè)置

1.1 氣液物性參數(shù)

在幾何模型中設(shè)置水和空氣兩相，其中水作為連續(xù)分布的主相，空氣作為離散分布的次相。水和空氣的密度分別為998.2 kg·m-3和1.225 kg·m-3，黏度分別為1×10-3Pa·s 和1.81×10-5Pa·s，表面張力為0.072 8 N·m-1。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

笛卡爾坐標(biāo)系中的接觸區(qū)三維幾何模型如圖 2所示，包括分離區(qū)的一部分，作為延長區(qū)，目的是確保接觸區(qū)內(nèi)湍流充分發(fā)展。根據(jù)幾何模型設(shè)置的網(wǎng)格劃分方案如圖 3 所示，所得六面體網(wǎng)格數(shù)量為256 836，節(jié)點(diǎn)數(shù)為274 418。

圖2 氣浮池接觸區(qū)三維幾何模型示意圖

圖3 網(wǎng)格劃分方案

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

取接觸區(qū)流域中inlet_1 截面圓心（45 mm、150 mm、175 mm），對該點(diǎn)處不同網(wǎng)格尺寸條件下的氣泡直徑進(jìn)行監(jiān)測可知，采用5 mm 的網(wǎng)格尺寸對幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分可得網(wǎng)格無關(guān)解。氣泡直徑隨網(wǎng)格尺寸的變化如圖4 所示。

圖4 氣泡直徑隨網(wǎng)格尺寸的變化

1.4 邊界條件設(shè)置

1.4.1 入口邊界條件設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)[9]將入口1 與入口2 的流量分別設(shè)置為0.6 m3·h-1和0.3 m3·h-1，由入口1 與入口2 的幾何尺寸可得流體速度分別為0.265、0.023 8 m·s-1，其中入口1 處氣含率為0.038 5，氣泡初始直徑分布如表 1 所示。

表1 氣泡初始直徑及其體積分?jǐn)?shù)

為確保計算精確，需要得知入口1 與入口2 處的湍流強(qiáng)度IT。

式中：ρ—流體密度；

u—流體速度；

dv—水力直徑；

μ—流體動力黏度。

對于入口2，ρ和μ應(yīng)按照氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)加權(quán)計算，dv可依照式（2）計算，其中l(wèi)和w分別為入口2 的長度和寬度。

經(jīng)計算得，入口1 與入口2 處的湍流強(qiáng)度分別為5.48%和6.84%。

1.4.2 出口邊界條件設(shè)置

氣液兩相流體從接觸區(qū)流入氣浮分離區(qū)，延長區(qū)實際上屬于氣浮分離區(qū)，考慮到出口處應(yīng)滿足流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律，且當(dāng)流動穩(wěn)定時此處湍流流動已經(jīng)充分發(fā)展，因此將出口設(shè)置為outflow 邊界條件。

1.4.3 液面（surface）邊界條件設(shè)置

根據(jù)氣浮過程中的氣液兩相流動特征，接觸區(qū)液面處應(yīng)當(dāng)只允許氣相溢出，故設(shè)置為degassing 邊界條件。

1.4.4 壁面邊界條件設(shè)置

壁面（wall）粗糙度設(shè)置為0.5。

1.5 CFD-PBM 模型設(shè)置

將氣液兩相流動時間設(shè)定為190 s，數(shù)值求解方法與文獻(xiàn)[9]一致，僅考慮氣浮接觸區(qū)中氣泡的聚并行為，故不做重復(fù)性描述。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 科莫微尺度分布

湍流流場中包含許多尺寸各異的渦旋，眾多湍流渦旋的運(yùn)動構(gòu)成湍流流動。湍流流場中的最小渦的尺寸等于科莫微尺度Kolmogorov microscale，后者可依照式（3）計算，其中ν為液相運(yùn)動黏度，ε為湍能耗散率。

當(dāng)氣泡直徑大于科莫微尺度時（即dbχ＞ ）可認(rèn)為氣泡將發(fā)生破碎，因此使用科莫微尺度對接觸區(qū)中氣泡破碎行為進(jìn)行評估，從而進(jìn)一步驗證CFD-PBM 耦合方法中忽略氣泡破碎行為的正確性。不同處截面科莫微尺度分布如圖5、圖6 所示。

圖5 流域中x=45 mm 處截面科莫微尺度分布

圖6 流域中z=175 mm 處截面科莫微尺度分布

由圖5 和圖6 中x=45 mm、z=175 mm 處截面科莫微尺度分布可知，接觸區(qū)流域中科莫微尺度的值為100～1 400 μm，絕大部分流域中的科莫微尺度的值均超過100 μm，其中大部分流域中的科莫微尺度的值均超過300 μm，考慮到流域中大多數(shù)氣泡直徑為70～100 μm，因此可以忽略氣泡的破碎行為。

2.2 氣泡直徑分布和準(zhǔn)確性驗證

不同處截面氣泡直徑分布如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 中x=45 mm、z=175 mm 處截面氣泡直徑分布可知，接觸區(qū)流域中的氣泡直徑主要分布于70～130 μm 的區(qū)間，且100～130 μm 較大直徑的氣泡分布于接觸區(qū)上部流域，原因在于氣泡上浮并在氣浮區(qū)上方（參考y坐標(biāo)軸方向）出現(xiàn)較強(qiáng)烈的聚并行為導(dǎo)致其出現(xiàn)較大直徑的氣泡。將文獻(xiàn)[9]所示的流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布（圖9）與圖8 作對比可知求解結(jié)果的正確性。

圖7 流域中x=45 mm 處截面氣泡直徑分布

此外，圖8 與圖9 所示氣泡在靠近接觸區(qū)頂部液面處的分布規(guī)律存在差異，原因在于液面邊界條件的類型與文獻(xiàn)[9]不同。圖 8 中液面附近存在明顯的氣泡聚集且尺寸較大，符合實際狀況，而圖9 中液面未體現(xiàn)出該現(xiàn)象，因此說明文獻(xiàn)[9]當(dāng)中液面邊界條件有待修正。

圖8 流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布

圖9 流域中z=175 mm 處截面氣泡直徑分布[9]

3 結(jié) 論

在ANSYS Fluent 軟件平臺中使用CFD-PBM 耦合方法，在忽略氣泡破碎行為的前提下對氣浮池接觸區(qū)氣泡運(yùn)動特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可得如下結(jié)論：

1）接觸區(qū)流域內(nèi)溶氣水管出口及其外壁附近表現(xiàn)出相對較大的氣泡直徑，氣泡直徑的最大值為130 μm，流域中大多數(shù)氣泡直徑為70～100 μm。

2）接觸區(qū)流域中科莫微尺度值分布于100～1 400 μm 區(qū)間，大部分流域中的科莫微尺度的值均超過300 μm，遠(yuǎn)大于流域中大多數(shù)氣泡直徑，因此可以忽略氣泡的破碎行為。