渗滤液用射流曝气臂结构模拟及性能优化

2021-09-07徐冬磊张建国

安徽化工 2021年5期

徐冬磊，韩颖，张建国，张威

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州213000）

在我国垃圾渗滤液处理过程中，经常使用好氧生化处理工艺，作为该工艺的重要组成部分，曝气装置得到了广泛应用。曝气是指将空气中的氧气强制向水体中转移的过程，其目的在于增加水中的溶解氧，提高传质效率，加强池内有机物及微生物与溶解氧的接触效果，从而保证微生物对污水中有机物的充分降解。

目前曝气方式主要有机械曝气、鼓风曝气和射流曝气，与前两者相比较，射流曝气器具有较高的充氧能力，混合搅拌作用强，维修管理方便。但从射流曝气器在渗滤液处理领域的实际运行来看，吸入水中的氧并未得到充分利用，大部分都以气泡聚并的方式从池体表面溢出，导致氧利用率低，从而限制了射流曝气器的推广应用。

针对目前射流曝气器的缺点与不足，本研究对其曝气臂部件的结构进行了优化改良与流体力学模拟实验，通过考查对比各曝气臂模型边界内的压力场分布、速度场分布、气液两相分布、湍流动能及其耗散率分布等流场信息参数，确定了曝气器的最佳优化设计模型，为后续曝气器的工程实验奠定了理论基础，具有参考意义。

1 实验模拟过程与方法

1.1 CFD模拟

本研究为了能够获取单一曝气臂内流经介质的流场状态及变化情况，采用ANSYS公司的CFD软件对其进行网格建模与流体力学模拟。鉴于曝气臂内的流经介质为两相流（水相和空气相），为了能够更精准地获得模型边界内的相关流场信息，采用CFD中的Eulerian双流体模型和Standard-k-ε湍流模型对其进行实验模拟。

1.2 过程与方法

为了实现对原有曝气臂的改良优化及模拟效果验证，首先需要依次对原曝气臂及优化后的曝气臂进行网格建模，然后对各自模型进行模拟运算，分别获得模型边界内流体的压力场分布、速度场分布、气液两相分布、湍动动能及其耗散率分布等重要参数，随后根据相关模拟结果，对比并筛选出最佳的优化模型结构，从而最终确定曝气臂的优化方案。最后考查并验证曝气臂优化前后对周围流场限定区域的喷射效果。如图1所示为原曝气臂及其结构逐步优化后曝气臂的网格建模。

图1 曝气臂的网格建模

图1中左侧为原曝气臂模型，通过建模还原可以看出原曝气臂由两级喷嘴组成，一级喷嘴Ф43×45 mm，二级喷嘴Ф40×190 mm（一、二级喷嘴间的过渡区无实际意义，仅为区分一、二级喷嘴腔体的建模而绘制），两级喷嘴皆为均径喷嘴，水相从一级喷嘴中心管口①进入。空气相由二级喷嘴的侧管口②吸入，气液两相在二级喷嘴腔体内经充分混合并完成相间传质后（空气相以溶解氧的形式进入到水体中），由二级喷嘴口喷射入池，完成射流曝气的全过程。图1中右侧是在原曝气臂的基础之上，通过逐步优化其结构而得到的模型，其中③是在一级喷嘴内增设旋流结构，④是将一级均径喷嘴优化为变径喷嘴，⑤是改变进气方式，将原先的侧臂圆管进气优化为环状缝隙进气，⑥是将二级均径喷嘴优化为变径喷嘴。待优化前后的曝气臂建模结束后，依次设定进水量为15 m/h，进气量为60 m/h（气水比为4∶1），开始模拟运算。运算结束后，可获得各模型边界内的流场信息，包括压力场分布、速度场分布、气相体积分数分布、湍动动能及其耗散率分布等参数。通过对比模拟实验结果，可确定最佳的优化模型结构。

为了进一步考查并验证曝气臂优化前后对周围流场限定区域的喷射效果，采用计算可行度大、网格质量高的Fluent Meshing模型进行喷射流场区域建模，具体模型如图2所示。

图2 曝气臂喷射流场区域的网格建模

建模结束后，分别考查并对比优化前后曝气臂在限定喷射区域内的相关流体信息参数，以便于验证入池喷射效果的改善情况。

2 结果与讨论

2.1 原曝气臂的模拟

图3所示为原曝气臂模型边界内各流场信息参数的模拟计算结果。

图3 原曝气臂模型流场信息参数

从图3中可以看出，由于一级均径喷嘴腔体内未设置旋流结构，液相从中心管进入一级喷嘴腔体内不会产生旋流效应，液相湍动程度较弱，不利于后续二级喷嘴腔体内气液两相的均匀混合。从图3（c）中可以明显看出，二级喷嘴腔体内气液相间存在明显的相界面，水体仅从二级喷嘴的中心圆截面喷出，空气仅从其周边的同心环截面喷出，说明气液两相在二级喷嘴腔体内并未得到充分混合，气相传质仅在气液接触表面进行，由于接触面积有限，不利于溶解氧向液相中的扩散传质。从图3（a）（b）中可以看出，二级喷嘴口处气水混合相的压力分布为负值，速度分布也很小，仅有3～5 m/s，这样不利于气水混合物的喷射入池。从图3（d）（e）中可以看出，湍流动能及其耗散速率的最大值，仅集中于进气管一侧贴壁处，这与图3（b）中的速度场分布情况类似，而整个模型内的平均湍流动能及其耗散率极小，几乎为零，这进一步说明原曝气臂模型内气液两相间的湍动程度不佳。

2.2 设置旋流结构后的模拟

在原曝气臂一级喷嘴内设置旋流结构，其模型边界内各流场信息参数的模拟计算结果如图4所示。

图4 设置旋流结构后的模型流场信息参数

从图4中可以看出，通过设置旋流结构，可大幅提升进水湍流扰动程度，更有利于后续二级喷嘴腔体内气液相的充分混合，从而提高气液传质效率。从图4（a）可以看出，增设旋流装置后，一级喷嘴腔体内的流体压力场分布得到明显改善：与未设置旋流结构的模型相比，该模型一级喷嘴腔体内的压力分布层次分明，沿着喷嘴的径向方向由外到内的压力分布逐渐减弱，尤其在喷嘴及过渡区的中心位置处，产生了液相负压，更有利于进气管中空气的卷吸进入。从图4（c）可以看出，二级喷嘴腔体内的气液两相混合效果也得到显著改善，气相分布变得紊乱，气液相间再无明显相界面，传质接触面变得更大更广，有利于溶解氧向液相中的传质过程。从图4（d）（e）中可以看出，湍流动能及其耗散率分布由原先进气管贴壁处极大值向二级喷嘴中心区域移动，其分布区域面积及数目有所增大和变多，分散程度有所增加，说明增设旋流装置对模型内气液相间的湍动程度有所改善。

2.3 一级喷嘴及进气方式优化后的模拟

基于上述模拟实验，在保持旋流结构不变的情况下，依次对一级喷嘴和进气方式进行逐步优化，将一级均径喷嘴优化为一级变径喷嘴，将侧壁直管进气方式优化为环隙进气方式，具体优化参数如表1所示。

表1 一级变径喷嘴及环隙进气结构优化相关参数

图5为上述（1）～（4）各模型边界内流场信息参数的模拟运算结果。

从图5可以看出，在保持进水液相旋流不变的情况下，通过优化一级喷嘴结构、改变进气方式等优化措施，可进一步加大进水中心处的负压值，根据文丘里效应，可大幅增加空气的吸入量。与此同时，两级喷嘴腔体内的流体速度分布较之前也有了较大提升，气液混合相的喷射动能也随之增加。除此之外，从图5（c）的立体分布图可以看出，气液两相刚刚交汇时存在明显相界面，随着喷射过程的进行，二级喷嘴腔体内气液两相的混合变得越来越均匀，直至喷嘴出口，气液两相已完全混合。这是因为环隙进气方式中独特的环形狭缝构造，不仅可使空气的吸入气速剧增，更重要的是可大幅提升液相对空气的水力剪切力。在强大剪切力的作用下，吸入空气被压缩成体积更小的气泡，加大了气液接触面积，极大促进了空气向水体中的混合扩散。从图5（d）（e）中可以看出，两级喷嘴腔体内的湍流动能及其耗散率的分布区域面积和数目进一步增多，二级喷嘴腔体前半段内混合相的湍动程度最大，而后逐渐减弱，说明需要进一步对二级喷嘴结构进行优化。

图5 一级变径喷嘴及环隙进气的模型流场信息参数

通过对比（1）～（4）模型的模拟结果，不难看出在（2）（4）模型下，两级喷嘴过渡区的负压区域面积较大，两级喷嘴腔体内的湍流动能及其耗散率分布区域面积及数目相对较多。与（1）（3）模型相比，（2）（4）中的湍流动能及其耗散率分布不仅在二级喷嘴腔体前半段内较高，同时在一级变径喷嘴内也较高。这进一步说明，一级喷嘴缩颈幅度越大，流经喷嘴流体的压力跳跃就越大，其湍动能力越显著。

2.4 二级喷嘴优化后的模拟

为了进一步提高曝气臂内气液混合相的喷射动能，提高相间湍动程度与气相传质效率，在保持旋流结构、一级变径喷嘴结构及环隙进气方式不变的情况下，继续对二级喷嘴进行结构优化。基于上述（2）（4）模型，分别对二级喷嘴做缩径及扩径处理，通过对比模拟数据来确定二级喷嘴的最佳优化结构。

如表2所示，为二级变径喷嘴的优化方式及相关参数。

表2 二级变径喷嘴结构优化相关参数

图6所示为上述（1）～（6）各模型边界内流场信息参数的模拟运算结果。

图6 二级变径喷嘴的模型流场信息参数

从图6（c）中可以看出，二级喷嘴缩扩径对模型腔体内流体混合的均匀程度几乎未产生影响，即无论二级喷嘴发生缩径还是扩径变化，气液两相经过两级喷嘴后均能实现完全混合并喷射入池。从图6（a）中可以看出，当二级喷嘴发生扩径变化时，两级喷嘴过渡区域的负压面积变大，更有利于空气的吸入，但二级喷嘴腔体内的压力场并无显著变化；当二级喷嘴发生缩径变化时，两级喷嘴过渡区域的负压面积略有减小，但二级喷嘴腔体内的压力场却得到增幅加强，提高了气液混合相的喷射压力。从图6（b）中可以看出，当二级喷嘴发生扩径变化时，其腔体内位于喷射中心处的流体速度场明显衰减，导致喷嘴口的喷射速度小于1 m/s，与之相比，二级喷嘴的缩径变化却能使其腔体内的流体速度场收敛加强，以至其喷嘴口处的喷射速度有所增加（由均径时的2 m/s增大至3 m/s），这是因为连续性流体在喷射过程中，随着流通截面积的逐渐减小，喷射速度是逐渐增加的。从图6（d）（e）中可以看出，与二级喷嘴变化相比，缩径变化能整体加强模型内气液混合相的湍流动能及其耗散率，两者的分布区域面积及数目均有所增大和变多，分散程度得到进一步加强，尤其是二级喷嘴口处的湍动能及耗散率分布有了明显改善，说明二级喷嘴的缩颈结构增加了流体的压力跳跃程度，提高了气液混合相间的湍动程度，气液混合发生得更加剧烈。

从图6（d）（e）中还可以看出，就模型内湍流动能及其耗散率的增幅强化而言，模型（6）比模型（3）要更好一些，这是因为模型（6）的一级变径轴长比模型（3）的略短一些，以至流体在一级喷嘴内的压力跳跃变化梯度加快，再加上二级喷嘴缩径结构的叠合效应，引起湍动能及耗散率的增大。

2.5 不同优化模型下的流体压降运算

为了进一步探究并考查各优化模型下的流体压降情况，理论评估曝气臂的能量消耗，将所有优化模型的水侧压降及空气侧压降数据统计在表3中。

表3 不同优化模型的流体压降数据

从表3可以看出，序号7“短前43-20-30，40-30-190”的优化模型经模拟运算后的水侧压降最小（仅111.3 kPa），空气侧压降也较小（36.5 kPa，与最小值20.4 kPa相当接近），说明气液混合相在该模型内的喷射过程中，产生的压阻损失及理论能耗最小。综合上述模型的流场信息参数分析，曝气臂采用“液相旋流+环隙进气+两级变径喷嘴”的方式为最佳优化模型，其中一级喷嘴由43 mm缩至20 mm，轴长30 mm；二级喷嘴由40 mm缩至30 mm，轴长190 mm。

2.6 限定区域喷射效果的模拟

如图7所示，分别为原模型和最佳优化模型在周围限定区域内喷射的流场信息参数。

图7 限定区域内喷射的流场信息参数

对比两模型在周围限定区域内的喷射效果后发现，从最佳优化模型喷出的气水混合相的速度场与原模型相比有所增强，且更加收敛。除此之外，从图7（d）（e）中可以明显看出，最优曝气臂模型对限定区域池底流体的湍流动能及其耗散率分布有较大影响，并使其显著增强。这说明经过液相旋流、环隙进气及两级变径等一系列改良结构后喷出的气水混合物会把更多的湍动能带入周边流体，增加了池体流体的扰动，更有利于提高池内气液相间的传质效率，同时也进一步减缓了池内污泥沉降堆积的发生。