新型供气式低压射流曝气器的结构设计与模拟优化

张安龙 阎毓 王先宝 蹇昊辰

摘要：为了提升供气式射流曝气器的混合效果和充氧效率，本课题根据各种氧传质机理对结构进行重新设计，提出进气管小孔出气等优化改进方案。通过数值仿真分析软件（Solideworks）建立三维模型，使用 Fluent软件模拟分析结构合理性和各种结构参数对湍流混合效果的影响。本课题对比了第一代和第三代新型曝气器的流线图。最终水相体积分数仿真结果表明，新型曝气装置的设计结构合理且混合效果有了显著提升，第三代低压供气式射流曝气器的最佳参数为一级管径86 mm，一级喷嘴直径36 mm，进气管直径20 mm，进气管长82 mm，混合室直径140 mm，混合室长400 mm，二级喷嘴直径55 mm，开孔孔径3 mm，开孔规模为均匀分布7列，每列8个。

关键词：低压供气式射流曝气器;湍流动能;水相体积分数; Fluent软件

中图分类号： TS73  文献标识码： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.013

Structure Design and Simulation Optimization of a New Air-supplied Low Pressure Jet Aerator

ZHANG Anlong1   YAN Yu1，*   WANG Xianbao1   JIAN Haochen2

（1. School ofEnvironmental Science and Engineering，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021;

2. School ofMechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan Province，614202）

（*E-mail：1098905507@qq. com）

Abstract：In order to improve the mixing effect and oxygenation efficiency of air-supplied jet aerator，the structure of which was redesigned according to various oxygen mass transfer mechanisms，and the optimizized scheme such as small hole outlet on inlet pipe was proposed. The three-dimensional model was established using numerical simulation and analysis software（Solidworks）， and Fluent software was used to simulate and analyze the structural rationality and the influence of various structural parameters on the turbulent mixing effect. This study compared the streamline diagrams of the first-generation and the third-generation new aerators. The simulation results of water phase volume fraction showed that the design structure of the new aerator was reasonable and the mixing effect significantly improved. The optimized pa⁃rameters of the third-generation air-supplied low pressure jet aerator were as follows：diameter of primary pipe，primary nozzle，and inlet pipe of 86，36，and 20 mm，respectively，inlet pipe length of 82 mm，mixing chamber diameter and length of 140 and 400 mm，respective⁃ly the secondary nozzle diameter of 55 mm and opening diameter 3 mm. The opening distribution was 7 columns evenly distributed with 8 holes in each.

Key words：air-supplied low pressure jet aerator; turbulent kinetic energy; water phase volume fraction;Fluent software

射流曝氣技术是继空气扩散曝气技术和机械曝气技术后问世的第3种曝气技术[1]，由于射流曝气器具有不容易被堵塞、曝气面积大、更换周期长等特点，已经在我国大量的城市污水处理厂和各类工业废水处理厂中得以应用[2-5]。射流曝气器从供气方式上可以分为供气式和自吸式两种[6]，相比自吸式射流曝气器，供气式低压射流曝气器通过风泵向射流器供气，这样可以自由调整汽水比，利用汽水剧烈混合形成的湍流状态切割气泡，可以有效控制湍流的规模和尺寸，大大提高气液的接触面积。

射流曝气技术近30年来已成功应用于造纸工业废水的生化处理中，如1996年广州造纸厂利用射流曝气系统处理其生产废水;1997年的云南思茅造纸厂废水处理;1998年的华泰纸业与镇江金河处理漂白碱法草浆和漂白硫酸盐苇浆废水;2000年的太阳纸业二期漂白碱法草浆废水，以及2001年的江门甘化厂蔗渣浆废水处理工程等[7]。

为提高混合效果，张佳晔[8]与谢飞[9]分别对原版射流曝气器进行了加孔板结构和优化原版射流曝气器最佳结构测得实验，实验结果均显示混合效果得到提升，但张佳晔在混合室增加孔板让废水从中流过，这使得管道容易堵塞，谢飞相比张佳晔放弃了孔板结构，对原版射流曝气器进行了尺寸优化并测试工况最优解，使混合效果在张佳晔的基础上进一步提升[9]。张佳晔测得工况为：水速1.5 m/s，气速10 m/s，进气口直径40 mm。谢飞测得最佳工况为：水速3 m/s，气速10 m/s，进气口直径40 mm。为再次增加混合效果，改变曝气管易堵塞的状况，并使装置在低流量下节约能耗，本课题在水速0.5 m/s，气速10 m/s，进气口直径20 mm 的工况下重新进行了低压射流曝气器设计优化。

1 实验对象

1.1 设计图纸

先前研究在充分了解和考虑氧传质的各种理论以及影响氧传质的各种因素后[10]，为了增加相同体积气体的总表面积、曝气器产生的湍流强度和气液混合效果，进而提高充氧效率，提出进气管小孔出气、一级喷嘴周围增加挡板等优化改进方案，设计出了第三代供气式射流曝气器，其一级喷嘴口周围未封闭，结构示意图如图1所示[11]。本课题对该低压供气式射流曝气器进行改进。图2为改良后第三代供气式射流曝气器模型。

1.2 采集其他模型

本课题选取谢飞改进的射流曝气器作为第一代对比对象[9]，选取张佳晔改进的射流曝气器作为第二代对比对象[8]。表1为模型名字及其特征对比。

2 实验方法

使用 Mesh 软件对表2所示的所有模型进行网格划分然后利用 Fluent 软件进行数值模拟，最后使用 CFD POST将所有实验数据整理转化后进行对比，以评价性能好坏。

2.1 实验工具

本课题采用Solideworks软件对各参数射流曝气器进行三维建模。一级管径76 mm，一级喷嘴直径24 mm，进气管直径20 mm，进气管长110 mm，混合室直径140 mm，混合室长500 mm;二级喷嘴直径55 mm，开孔孔径5 mm，开孔规模为均匀分布7列，每列8个。采用 Mesh 软件进行网格划分，网格划分结果如图3所示。

本课题使用 Fluent 软件建立控制方程、能量方程、标准 k-ε流模型并设置模型边界条件、初始条件，采用欧拉多相流对建立的方程进行求解计算。设置相应的求解控制参数。两相为空气和液态水，进气口和入水口分别设置速度为10 m/s和0.5 m/s，进水压力和出口压力均为60000 Pa，进气口压力为70000 Pa。最终使用CFD软件对各模型进行输出实验结果。

2.2 数值模拟

混合效果受到多个结构参数影响，因此，本课题以原模型参数为基础[8]设计了不同参数的一级喷嘴直径、一级管径、二级喷嘴直径、混合管长度、混合管直径、进气管直径、进气管长度、进气管小孔直径、进气管开孔率的模型1～33，并对它们分别进行模拟计算，结果见表2。

2.3 第三代曝气器的微调

图4为第三代曝气器改良前流线主视图。从图4可以看出，未改良的第三代曝气器模型33，其产生的湍流聚集在了一级喷嘴后方，湍流没有在气液相遇处形成，不利于氧气传质。因此将一级喷嘴口附近区域封闭如图2所示，这时图4中各个湍流团前移，且湍流以进气管为中心形成，即见图5所示。

2.4 第三代射流曝气器流线云图

图6中第三代曝气器其在进气管左右两处和进气管中心上方3处形成了漩涡状激烈的湍流，而湍流的形成有利于氧气的传质过程，所以总体上此模型是成功的。图7为原版曝气器在同种条件下的流线图，可以发现其在进气口处也形成了湍流，但没有第三代曝气器的湍流剧烈。

图8与图9分别为相同工况下第三代与第一代气液两相体积分数云图，这2幅图中红色代表水、蓝色代表气体、绿色代表混合十分均匀，可以看作气泡被打的很碎且分布十分均匀，从图8中可以看出，第三代曝气器其气液两相混合十分均匀，其出口云图中显示绿色占大多数，且没有出现深蓝色和深红色，因此第三代喷管的混合效果更好。

2.5 一级喷嘴直径对混合效果的影响

图10为速度压力变化图。图10（a）显示，每个模型在横坐标为310 mm 时都有压力的突变下降，这是由于水流突然被进气管阻挡所致。比较模型1～7后发现，在相同的工况下，随着一级喷嘴直径越大，其压力波动范围越小。其中模型4压力变化的范围大、压力平缓区少且变化最为频繁，这说明其内部气液两相的压力势能和动能转换频繁，这有利于氧传质。而模型 1虽也有明显压力变动区间，但没有模型4的变化区间广，所以模型4更为出众。图10（b）中，一级喷嘴直径越大则从一级喷嘴流出的水速越小。在最终出口速度方面，气液混合相的速度随着一级喷嘴直径的增加而增加。在距一级喷嘴距离400～700 mm 范围内的速度规律发生了明显反转，这是由于液体冲击气体发生了剪切混合作用，将动能转换成了压力势能与内能，一级喷嘴越小流出水的速度越大且与进气管碰撞后产生的内能也越大，所以碰撞后速度减小。在相同混合管径的情况下，内能损失越大的，碰撞后的速度越小。模型4的速度变化最为剧烈，這有利于氧气的传质。

图11为水相体积云图。从图11中可以看出，在一级喷管出口处，水流冲击进气管并与气体发生剪切作用，此时动能转化为内能和压力势能。由于水的流速高致使气流无法完全切割在重力影响下的水流，所以从图11还可以看出，模型1的出口虽未出现明显的红色水相和蓝色气相，但下方还是呈现出黄色，这是不利于氧气传质混合的。随着一级喷嘴的管径增大，水流的速度逐渐变小，模型2～模型4下方黄色渐变为蓝色。从最终的出口断面看模型3、模型4的绿色占比大，混合效果优异。模型5～模型7的结果显示随着一级喷嘴直径变大，水流速度变小，在重力的作用下使水流无法完全切割上方气柱，并且向下进行流动，所以模型5～模型7的进气管上方有明显的蓝色，下方有明显的黄色，出口截面水相体积云图也显示气液的混合不均匀。表3显示随着一级喷嘴直径的增加，平均湍流动能先变大后变小。而平均湍流耗散率是随着一级喷嘴直径的变大而减小的。根据上述实验结果可知，模型4的压力变化范围广，混合效果好，湍流动能和湍流耗散率最高，所以选择模型4进行进一步优化实验。

2.6 二级喷嘴直径对混合效果的影响

经实验对比模型4、模型8～模型11间各个结果后发现二级喷嘴直径对混合效果的影响较小，继续选择模型4进行优化。

2.7 不同进气管直径对混合效果的影响

研究发现，一级喷嘴口径越大混合效果越差，模型4、模型12～模型14中，模型4的压力变化范围广，混合效果好，湍流动能和湍流耗散率最高，在此选择模型4进行进一步优化实验。

2.8 不同进气管长度对混合效果的影响

经研究发现，此因素下各模型混合结果非常相近。此外还发现，进气管长度越短则产生的湍流强度越高，进气出口的气速增大，从而使得气体和液体发生强烈碰撞产生激烈的湍流。上述这种情况的产生是由于在入口气速恒定的情况下，进入进气管的气量不变，但进气管长度缩短了，使得出气口总面积减小所致。而湍流强度越强则越有利于氧气的传质，综合上述，这里选择模型15继续改进优化。

2.9 不同混合管长度对混合效果的影响

经研究发现，此因素下各模型混合结果非常相近。考虑到节约制作成本，选择混合管最短的模型21作为进一步优化改进的基础。

2.10 不同混合管直径对混合效果的影响

通过研究发现，模型21、模型25～模型27随着混合管直径变大，混合管的混合效果越来越好，这说明过小的混合室无法使混合均匀，产生这种情况的原因在于，进气管放出的气体距离管壁太近，气体喷射到管体后向四周产生巨大的冲击力，而混合管上方的水体本身由于重力作用导致其水平方向剪切力不足，从而无法对气柱产生完全切割。但随着混合管直径的变大，这种冲击产生的阻力变小，水体可以和气体发生充分的切割。模型27的平均湍流动能和平均湍流耗散率均为最高，因此选择模型27作为继续优化和改进的基础。

2.11 进气管开孔孔径对混合效果的影响

经测试不同进气管开孔孔径后发现，模型28、模型29的混合结果非常相近，但发现小孔直径越小其湍流强度越高，综上所述本课题选择模型28作为继续优化的基础。

2.12 进气管开孔数对混合效果的影响

通过测试不同进气管开孔数后发现模型28、模型 30、模型31，除了湍流强度存在规律性差异外，各模型的混合结果非常相近，此因素下实验结果显示开孔数越多湍流强度越弱，这是由于开孔数多了则每个孔的出口压强变低，从而使得气体流速降低进而剪切力减小，导致形成的湍流强度明显下降。此因素下模型28的湍流强度最高，所以选择模型28为基础继续进一步的优化。

2.13 一级管径对混合效果的影响

图12为速度压力变化图。由图12（a）可以看出，随着一级管径的增大，250～750 mm全区间的速速也越来越大，这是因為在相同的进水速度下，一级管径越大，进入的水量就越多单位时间内进入混合管的动能也越大，又因为混合管直径相同，因此水速变大。在 250～400 mm 区间内，各模型速度变化趋势相同，模型28、模型33的最大速度均大于模型32，模型28、模型 33的最大速度相差不大且在区间400～750 mm 速度变化趋势几乎相同，速度增减频率均相同。从图12（b）可以看出，一级管径的增大也使得装置的整体压力变大，模型33的压力大小跨度最大，压力的每次上升下降更为明显，模型28、模型33的压力变化趋势以及压力增长降低变化频率相同。模型32在全区段相较于其他模型压力变化幅度最小，上升下降频率最低。

图13为水相体积云图。由图13看出，随着一级管径的增大，混合管中的蓝色越来越淡，绿色越来越深且变多，这说明一级管径在66～86 mm之间混合效果成正比关系，从出口截面的截图也可以看出模型32出现了深蓝色痕迹，而模型28、模型33没有，可以看出模型33的混合效果最好，绿色占了绝大多数，而绿色的占比越高说明混和的越均匀。从表4可以看出，模型33的平均湍流耗散率和平均湍流动能均为最大，这是由于相同水速下，管径增大水流量变大，单位质量动能增大致使剪切力和湍流强度变大导致的。所以选择模型33为进一步研究的基础。

2.14 曝气器混合效果对比

图14为第一代～第三代最优工况下的水相体积云图。第二代供气式低压射流曝气器，工况为水速1.5 m/s，气速10 m/s，进气口直径40 mm[8]。第一代低压供气式低压射流曝气器工况为水速3 m/s，气速10 m/s，进气口直径40 mm[9]。第三代供气式低压射流曝气器工况为水速0.5 m/s，气速10 m/s，进气口直径20 mm。从混合效果和工况可以看出，此次优化不仅混合效果有了明显的提升，还将进气流量、进水水速、水流量降的更低了，这样降低了对电的能耗，起到节能环保的作用。

3 结论

3.1 为了提高供气式低压射流曝气器的氧传质速率和混合效果，本课题对比了第一代和第三代曝气器的模拟结果，通过流线图和液相体积云图发现，新设计的第三代供气式低压射流曝气器在同工况下，其混合效果明显好于第一代。并且本课题通过流线图发现了第三代供气式低压射流曝气器的初次设计存在缺陷，于是将一级喷嘴左右两端填封，使得湍流前移，达到增加氧传质效果的目的。

3.2 本课题对于第三代曝气器的几个重要结构参数进行了模型构建和数值模拟，计算并分析了这些参数的改变对新设计的曝气器所带来的影响，同时优化出了最佳的参数数据。最佳参数为一级管径86 mm ，一级喷嘴直径36 mm ，进气管直径20 mm ，进气管长82 mm ，混合室直径140 mm ，混合室长400mm ，二级喷嘴直径55 mm ，开孔孔径3 mm ，开孔规模为均匀分布7列，每列8个。

3.3 相较第一代与第二代射流曝气器所做的改进，此次改进，非常明显的提升了混合结果，且在其理论上降低了能耗。

参考文献

[1]张中和.氧气曝气国内外发展概况[J].上海市政工程，1999，2（1）：44-55.

ZHANG Z H. Development of oxygen aeration at home and abroad [J]. Shanghai Municipal Engineering，1999，2（1）：44-55.

[2]刘俊超.用 SBR 工艺处理制浆造纸废水[J].中国造纸，2004，23（12）：48-51.

LIU J H. Treatment of Pulp and Paper Wastewater by SBR Process [J]. China Pulp & Paper，2004，23（12）：48-51.

[3]彭宏，杨忠明，吴金苗.新型射流曝气器的研究与应用[J].环境工程，2012，30（5）：135-139.

PENG H，YANG Z M，WU J M. Research and application of new jet aerator[J]. Environmental Engineering，2012，30（5）：135-139.

[4]张安龙，张佳晔，王先宝，等.基于三维数值模拟的供气式低压射流曝气装置性能优化研究[J].环境污染与防治，2018，40（10）：1152-1156.

ZHANG A L，ZHANG J Y，WANG X B，et al. Study on perfor⁃mance optimization of gas supplied low-pressure jet aerator based on three-dimensional numerical simulation[J]. Environmental Pollu⁃tion and Prevention，2018，40（10）：1152-1156.

[5]王羽，汪群华，芮延年，等.高速大跨度转刷曝气机磁流变主动减振控制技术[J].机械设计与研究，2012，28（6）：46-48.

WANG Y，WANG Q H，RUI Y N，et al. Magnetorheological active damping control technology for high-speed and long-span rotary brush aerator[J]. Mechanical Design and Research，2012，28（6）：46-48.

[6]李小利，馬安然，赵继红.新型射流曝气外置式MBR处理乳品废水[J].膜科学与技术，2012，32（2）：100-103.

LI X L，MA A R，ZHAO J H. Treatment of dairy wastewater by new jet aeration external MBR[J]. Membrane Science and Technology，2012，32（2）：100-103.

[7]郝建昌，张安龙.射流曝气技术在制浆造纸废水处理中的应用[J].环境保护，2005，30（3）;33-35.

HAO J C，ZHANG A L. Application of jet aeration technology in pulp and paper wastewater treatment[J]. Environmental Protection，2005，30（3）：33-35.

[8]张佳晔.供气式低压射流曝气器的能耗分析及性能优化研究[D].西安：陕西科技大学，2018.

ZHANG J Y. Energy consumption analysis and performance optimi⁃zation of air supplied low pressure jet aerator[D]. Xi’an：Shaanxi University of Science and Technology，2018.

[9]谢飞.供气式低压射流曝气器结构优化与充氧性能研究[D].西安：陕西科技大学，2019.

XIE F. Structural optimization and oxygenation performance of gas supplied low pressure jet aerator[D]. Xi’an：Shaanxi University of Science and Technology，2019.

[10]刘永令.污水射流曝气生物处理浅析[J].城市污水处理术，1984，3（4）：58-69.

LIU Y L. Analysis on biological treatment of sewage jet aeration [J]. Urban Sewage Treatment，1984，3（4）：58-69.

[11]阎毓，张安龙.一种新型射流曝气器：CN212198733U[P].2020-03-26.

YAN Y. A new type of jet aerator： CN212198733U[P].2020-03-26.

（责任编辑：黄举）