周　涛　 孙建红　 孙　智　 刘　可

(南京航空航天大学航空宇航学院, 南京 210016)



螺旋曝气特性与流场分析

周涛 孙建红 孙智 刘可

(南京航空航天大学航空宇航学院, 南京 210016)

为了提高曝气效率，提出了一种具有螺旋流场特性的新型曝气方式.通过对螺旋曝气进行理论分析发现，该方法可以提高气-液两相的总接触面积，进而增强曝气效率.同时采用Euler-Euler双流体模型对螺旋曝气池流场进行了数值模拟，并与传统曝气方式(垂直曝气和水平曝气)进行对比分析.工程实例分析结果表明，当曝气总流量为7.48 kg/s时，螺旋曝气池全流域平均混合效率约为垂直曝气池的23倍，且为水平曝气池的10倍.此外，对螺旋曝气池中涡运动和湍流脉动等流动机理进行分析以及对气含率分布的考察发现，螺旋曝气中的气羽柱前行路径成螺旋状，涡运动和湍流脉动增强，使得气-液总接触面积增大，流场更均匀，曝气效率更高.

螺旋曝气法;螺旋曝气池;混合效率;气含率

随着人们环保意识的增强,污水处理技术的更新改进逐渐引起广泛关注.目前,污水的净化处理普遍采用活性污泥法.该方法通过好氧微生物吸附和氧化污水中的有机物达到净化污水的目的,因此如何使曝气池中的好氧微生物充分地与氧气接触反应成为该方法中的关键技术[1].

现有的曝气方法主要有鼓风曝气法、机械曝气法等,这些曝气方法气泡分布不均匀、氧气利用率低、曝气效果差.并且采用这些方法的曝气池占地面积较大,难以应用于中小型污水处理系统.为此,孙建红等[2-3]在对射流机理研究的基础上,针对该问题提出了一种螺旋的曝气池结构[4-5].

目前,人们广泛地开展了与曝气池曝气相关的实验和数值研究.在实验研究方面,广大学者主要针对曝气效果进行了研究.例如,万甜等[6]采用傅里叶变换的粒子图像测速法对曝气池内气泡的停留时间、速度脉动等参量进行了测量.周涛等[7]采用清水充氧实验研究了射流微泡曝气器的溶氧性能及其工程应用;Fayolle等[8]采用正交和非稳态综合测量方法研究了不同水流速度下曝气的气泡尺寸、曝气水深以及氧转移系数;Vermande等[9]采用非稳态测量方法对曝气过程中的气泡直径、气体速度、水流速度等物理量进行了测量,并分析了这些参量对曝气过程氧转移系数的影响.在曝气池的数值研究方面,人们的关注点主要有数值方法可靠性的验证、曝气效果分析以及曝气池的流场特性分析等.Dhotre等[10]采用Euler-Euler方法计算了圆柱形曝气池底部中心曝气的气液两相流动,计算结果与实验吻合较好;Fayolle等[11]采用双流体模型对推流式的曝气池进行了数值模拟,并与相关实验数据进行了对比,发现数值方法可以准确地模拟曝气过程;Gresch等[12]计算了不同曝气分布的曝气池内部流动,发现不同的曝气方式对曝气结果影响较大.张从菊等[13]采用CFD软件对曝气池内的气液两相流体开展了数值研究,分析了不同曝气强度下的曝气池内气液两相流动规律,结果表明曝气强度越大,气含率越高.肖柏青等[14]采用Euler-Lagrange方法结合大涡模拟方法的手段研究了曝气池中气泡羽流的流动特性及其对氧转移的影响,发现水流的对流对溶氧分布起决定作用.肖柏青等[15]还采用Euler-Lagrange方法研究了不同气泡尺寸对计算结果的影响,发现多组气泡尺寸计算结果与实验更吻合.

通过上述分析可以看出,尽管人们针对曝气池开展了广泛的研究,但这些研究均以传统结构的曝气池为对象,并未涉及螺旋曝气机理,目前还未见与其相关的研究.事实上,传统曝气方法和曝气池的曝气效果并不能满足技术需要,还存在巨大改进空间.鉴于此,本课题组设计了一种新型的螺旋曝气池,同时将其应用于实际工程[7].本文详细分析了螺旋曝气池的曝气效果和曝气机理,并利用数值方法对螺旋曝气进行了分析,希望为污水处理提供一种新的曝气方法和设计思路.

1　螺旋曝气的基本原理

在螺旋曝气池中,氧气的扩散与转移过程遵循物质扩散的基本规律,即Fick定律:

(1)

式中,dM/dt为物质的扩散速率;DL为物质的扩散系数;A为接触界面面积;C为空气的物质浓度;X为扩散过程的路径;dC/dX为浓度梯度.根据扩散过程的双膜理论,可将式(1)转化为

(2)

(3)

由式(3)可知,在曝气的氧浓度值C不变的条件下,要提高氧气的转移速度dC/dt,可以通过提高KL的方法来实现.在螺旋曝气池中,通过射流曝气装置提供了快速的入射速度,增强了主流体中的涡运动和湍流强度,从而降低了液膜厚度,加速了气液界面的更新.

此外,在曝气过程中空气微泡在前行中与液体的总接触面积A为

A=∫ABudt=ABl

(4)

式中,AB为空气微泡的表面积;u为空气微泡的速度;l为空气微泡的前行路程.在螺旋曝气过程中,曝气池底部的射流曝气器形成旋转力,加上流体浮力的作用,使得曝气池内的污水旋转上升,增加了微气泡和污水的运动路程,进而提高了气液两相的总体接触面积.

由上述理论分析可以看出,螺旋曝气池通过降低液膜厚度和提高气液两相的总体接触面积,达到提高曝气效果的目的.同时,在螺旋流场的作用下,曝气及气泡分布更均匀,混合效果更好,会进一步增加曝气池有效体积,提高曝气效果.

2　物理模型

以中小型污水处理系统的曝气池为例,图1给出了一种螺旋曝气池结构.该曝气池的设计容积为25 m3,外形采用圆筒结构.其中,D为圆筒直径,H为圆筒高度.底部水平面内沿圆周方向均匀分布有3个射流曝气器,其射流方向与圆心成120°夹角,射流曝气器出口距圆心的距离为r,其安装高度为h.为了对比分析,同时还对2种非螺旋曝气池进行了数值模拟,即垂直曝气池(见图2(a))和水平曝气池(见图2(b)),其尺寸大小、曝气口位置以及曝气条件与螺旋曝气池相同(见表1).

图1　螺旋曝气池结构示意图(单位：m)

图2　垂直曝气池和水平曝气池结构示意图

3　数值计算方法

为了数值模拟曝气池的内部流场,控制方程采用非定常不可压的雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS).该方程包含连续性方程和动量方程,可以写成如下形式:

(5)

(6)

式中,下标i为第i相(i=1为液相流体,i=2为气相流体);αi为第i相的体积分率;ρi为第i相的密度;ui为第i相的速度;Pi为第i相的压强;Fd为不同相之间的曳力;g为重力加速度;τi为第i相的黏性应力张量.

为了计算曝气池中的气-液两相流动,采用Fluent软件中的Euler-Euler双流体模型求解控制方程(5)和(6).压力-速度的耦合求解采用SIMPLE算法,对流和扩散项的离散均采用二阶迎风格式,湍流模型采用k-ε模型.曳力模型采用Schiller-Naumann模型,即

(8)

式中,CD为曳力系数;d2为气相气泡的平均直径.

计算采用结构网格,网格总数约为3.7×106.为了保证流动变化剧烈区域的网格分辨率,对壁面边界层和射流曝气器出口等区域的网格进行了局部加密,如图2所示.射流曝气器喷口处采用速度入口边界条件,曝气速度为1 m/s;曝气池顶部采用压力出口边界条件;固壁采用无滑移、无穿透的绝热边界条件;时间步长取为5 ms.射流曝气器喷射的流体为气液混合物,总流量为7.48 kg/s,混合液中的气体体积分数为10%.

图3　曝气器对称截面上的计算网格示意图

4　计算结果与分析

4.1曝气池内的曝气效果分析

气含率是考察曝气池曝气效果的重要指标，直接反映了曝气池内的气体分布情况,图4～图6分别给出了总流量相同的3种曝气池(非螺旋垂直曝气、非螺旋水平曝气和螺旋曝气)曝气产生的气羽柱以及几个典型截面上的气含率分布.

在非螺旋垂直曝气池底部,流体浮力和曝气射流的冲击力方向一致,气泡在浮力和惯性力的共同作用下快速上升,并从曝气池顶部溢出.其曝气效果如图4所示,该曝气方式产生的气泡主要集中在狭小的曝气射流核心区内,远离核心区的气含率迅速衰减.各水平截面的气含率分布主要集中在射流中心,其他区域气含率很小,可忽略,如图4(b)所示.这使得曝气池内部的气含率均匀性差,气泡分布极其不均匀,从而使得曝气池的整体曝气效果较差.

在非螺旋水平曝气池底部,由于沿着射流方向具有一定的初速度,气泡会跟随主体相水流向前运动,气羽柱呈抛物线状,如图5(a)所示,曝气器2的射流混合液体在初始速度作用下前行并与壁面碰撞,随后沿壁面上升.该曝气方法产生的气泡主要集中在沿射流方向的带状抛物线内.与垂直曝气相比,水平曝气方法在各水平面的气含率分布沿射流方向呈带状分布,但是垂直于射流方向的其他区域气含率依旧很低,如图5(b)所示.因此,该曝气池内的气泡分布仍不太均匀,依然不能很好发挥曝气作用.

(a) 曝气气羽柱分布

(b) 水平截面气含率分布

(a) 曝气气羽柱分布

(b) 水平截面气含率分布

(a) 实验结果

(b) 计算结果

在螺旋曝气池内,由于3个射流曝气器周向分布,曝气池内的流体在射流冲击作用下产生一定的旋转，其计算结果与实验结果如图6所示.通过对比可以发现,数值计算和实验结果在螺旋曝气池顶部都有3个气泡流出的集中区,并且流体沿逆时针方向有一定的旋转,气含率集中区被这种旋转作用往下游拉伸,计算结果和实验结果相吻合.同时,气泡在这种旋转效果的作用下沿一定的螺旋轨迹运动,如图7所示.气含率分布呈三足鼎立式分布,并且由于整体流程的旋转作用,加速了气体的扩散,在3个峰值点以外的其他区域也有一定的气体分布,其气含率分布更加均匀,有利于曝气效果的增强.

通常,为了使曝气池内的微生物保持良好的活性,必须保证曝气池内具有足够的溶解氧.因此,曝气池内的氧浓度需要保持在不低于2 mg/L(空气的体积分数约0.7%)的水平[1].定义曝气池内的空气体积分数大于0.7%的区域为有效曝气区.为了定量对比分析上述3种曝气池的有效曝气区,图8给出了曝气池水平面内有效曝气面积随曝气池高度的变化曲线.图中,Ae为曝气池水平面内的有效曝气面积,AT为曝气池的水平截面积.可以看出,在3种曝气池中,垂直曝气池的有效曝气面积最小,仅占曝气池水平截面积的0.2%左右;水平曝气的曝气池次之,约占水平截面积的0.8%;螺旋曝气池的有效曝气面积最大,约占水平截面积的1.3%～2.4%.此外,螺旋曝气池的中间部分有效面积最大,有利于曝气池内的污水净化处理.

(a) 曝气气羽柱分布

(b) 水平截面气含率分布

图8　曝气池水平面内的有效曝气面积随曝气池高度Z的变化曲线

为了进一步对曝气池的曝气效果进行定量分析,引入混合效率σ，σ的定义如下:

(9)式中,Cin为入口的空气物质浓度;C0为曝气前污水的空气物质浓度,这里取为0.混合效率σ的取值范围为0～100%,其数值越大，表明混合效果越好.

相同工况条件下3种曝气池气液混合效率如表2所示.由表可知，螺旋曝气池全流域平均混合效率约为垂直曝气池的23倍，为水平曝气池的10倍，且无论是局部流场还是整体流场,螺旋曝气池的曝气效率均远大于其他曝气方式.因此,螺旋曝气池的曝气效果较好,属于一种有潜力的污水处理方式.

表2　不同曝气方法气液混合效率对比

4.2螺旋曝气池的曝气机理分析

(10)

图9　螺旋曝气池内的Lamb矢量散度分布

气体在曝气池内的扩散和转移不仅与曝气池内的涡运动有关,还和曝气池内的湍流特性密切相关.一方面,流体湍动能的增加可以有效地降低气液交界面的液膜厚度,加速气液界面的更新速度,加快气相的传质速率;另一方面,流体湍动能的增加,使得流体的脉动强度增强,加速了气体相的扩散,使得流体的混合能力增强,有利于气泡的均匀分布.

图10给出了螺旋曝气池内的湍动能分布.可以看出,湍动能在气羽柱附近出现峰值,这与当地存在较大的对流有关.随着流体流动螺旋上升,湍动能峰值逐步衰减并向四周扩散.在曝气池上部的2个截面内(即Z/H=0.6和Z/H=0.9平面),湍动能已经逐渐扩散到整个平面内,这有利于该处曝气池气体的均匀分布，同样也可以提高螺旋曝气的效果.

(a) 湍动能的三维结构

(b) 不同水平截面上的分布情况

5　结语

本文提出了一种全新的螺旋曝气方式.螺旋曝气能够减小降低液膜厚度,增加总接触面积,提高湍动能以及对流传质效果,使得曝气流场均匀混合,大幅度改善曝气效率,是一种有广泛应用前景的高效曝气新方法.

通过数值方法对螺旋曝气池流场进行了模拟计算.引入混合效率对螺旋曝气池的曝气效果进行定量评价,并通过螺旋曝气池与非螺旋曝气池的对比,发现螺旋曝气池内的气含率分布更加均匀,其气泡的混合效率远高于非螺旋曝气池.

同时,分析了螺旋曝气池内部的流动结构、气含率分布,在此基础上对螺旋曝气池的涡动力学特性和湍动能进行了分析研究.通过分析发现螺旋曝气池曝气效果增加的主要原因是螺旋曝气池的混合效果增加,流场更加均匀,气液总体接触面积增大,并且涡运动增强.

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Performance and flow analysis of spiral aeration

Zhou Tao Sun Jianghong Sun Zhi Liu Ke

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

To improve the efficiency in mass transfer of oxygen, a novel aeration method with spiral flow field characteristics was presented. By making theoretical analysis on the spiral aeration, we find that the total contact area of gas-liquid two-phase is increased and the aeration efficiency is improved. Based on its principle analyses, a numerical calculation of spiral aeration tank flow field was carried out by using Euler-Euler two-fluid model, and compared with that of traditional aeration tank (vertical and horizontal aeration tanks). Comparing results show that the average mixing efficiency of a spiral aeration tank is about 23 times of a vertical aeration tank, and 10 times of a horizontal aeration tank. On the other hand, the analyses turn out that in a spiral aeration tank the path of the gas is helix, the vortex motion is stronger, the length of the path is longer, the total contact area is larger and the aeration efficiency is higher. The distributions of flow field and gas holdup are more uniform in spiral aeration method.

spiral aerating method; spiral aeration tank; mixing efficiency; gas holdup

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.024

2016-04-02.作者简介: 周涛(1982—),男,博士生;孙建红(联系人),男,教授,博士生导师,jhsun@nuaa.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(21407077)、江苏省“六大人才高峰”资助项目(2012-JNHB-014)、江苏高校优势学科建设工程资助项目.

TH17;V240.2

A

1001-0505(2016)05-1038-07

引用本文: 周涛,孙建红,孙智,等.螺旋曝气特性与流场分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1038-1044. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.024.