上流式水輪曝氣機CFD仿真分析

曾夢瑋，薛波，林華，岳婷

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上流式水輪曝氣機CFD仿真分析

曾夢瑋1，薛波2，林華1，岳婷1

（1.四川省機械研究設計院，四川 成都 610063；2.方圓標志認證集團四川有限公司，四川 成都 610014）

為保證曝氣機的性能滿足設計要求，對曝氣機水力模型進行三維建模，基于-多相湍流模型，通過對擴散過程、傳質過程和氣液兩相流理論的分析，利用ANSYS CFX有限元仿真軟件，對曝氣機的內部流場進行數值模擬。得到曝氣機內部流場的速度分布圖和壓力分布圖，計算了曝氣機作用下的水體含氧量及曝氣機效率兩項主要技術指標。結果表明，利用計算流體動力學進行三維多相湍流數值模擬得到的兩項技術指標均能達到設計需求，為曝氣機優化設計提供了參考和指導。

曝氣機；多相湍流；水體含氧量；曝氣機效率

隨著科技發展及人口增加，人類社會對水資源的壓力不斷增大，污水治理成為世界各國關注的問題。近年來對河流污水處理普遍采用的方法是通過機械設備往水體中曝氣，也就是強制充入純氧或空氣，使水體不斷與氧氣或空氣接觸，提高水體中的溶解氧的比例。曝氣機是一種應用于污水處理系統中的節能環保新型設備，通過曝氣機的作用，增加空氣融入，加快水中有機物的分解，增強河流的自身凈化水平，降低藻類植物以及厭氧菌在水體中的繁殖，達到去除河流黑臭的效果。

本次分析以自主設計的上流式水輪曝氣機為研究對象，通過理論分析和仿真模擬相結合的方法，研究在曝氣機作用下水流的含氧量及曝氣機的效率是否達到設計需求。

1 曝氣機結構原理

現有的普通水輪機結構如圖1所示。

圖1 普通水輪機結構

本項目采用的上流式水輪曝氣機結構如圖2所示，是在現有水輪機結構的基礎上，取消水輪機尾水管，使其采用垂直向上流道和接近尾水表面的開放出流。這種水輪機結構具有以下優點：采用向上開放出流，尾水直接接觸大氣，增加水體中的空氣融入；轉輪出來的剩余的動能使得尾水與大氣發生劇烈的攪拌，從而改善出口水流的通氣狀況；建設和維護的時間和成本降低。

2 曝氣過程相關理論

2.1 擴散過程

擴散過程的推動力是物質在界面兩側的濃度差，物質分子從濃度較高的一側向著較低的一側擴散、轉移。擴散過程中的基本規律可以用菲克定律[1]概括，即物質的擴散速率與濃度梯度呈正比關系：

式中：νd為擴散速度；DL為擴散系數；C為物質濃度；x為開始過程的距離；dC/dx為濃度的梯度。

2.2 傳質過程

曝氣時氣泡在上浮過程中使氧氣不斷進入污水，可采用雙膜理論解釋其傳質過程，則液膜內氧傳遞的微分方程和積分形式為[2]：

（1）增大曝氣量來增大氣液接觸面積；

（2）減小氣泡尺寸；

（3）加強液相主體紊流程度，降低液膜厚度，加速氣液面的更新；

（4）增加曝氣池深度來增大氣液接觸時間和面積，從而提高K值；

（5）提高氣相中的氧分，如采用純氧曝氣，以避免水溫過高來提高C值。

2.3 氣液兩相流基本理論

（1）流量

式中：為質量流量，kg/h；G為液相質量流量，kg/h；G為氣相質量流量，kg/h；為體積流量，m3/h；Q為液相體積流量，m3/h；Q為氣相體積流量，m3/h。

（2）流速

式中：為質量流速，kg/(h·m2)；1為管道截面積，m2；A為氣相流通面積，m2；A為液相的流通面積，m2；W為氣相的平均速度，kg/(h·m2)；W為液相的平均速度，kg/(h·m2)。

假定管道全部流通面積被兩相混合物中的某一相單獨占據時的氣相和液相的真實流速分別為：

（3）滑差和滑動比

在管道中氣相和液相速度一般是不相等的，兩者之間的差值即為滑差：

滑動比為氣液相速度比值，即：

（4）含氣率

質量含氣率為：

體積含氣率為：

截面含氣率為：

將Q＝AW、Q＝AW、G＝AWρ、G＝AWρ[3]分別代入式（11）和式（12），聯立解得三種含氣率之間的關系為：

式中：ρ、ρ分別為氣體密度與液體密度。

3 有限元仿真分析

3.1 三維建模

通過三維建模軟件對曝氣機的水體部分進行建模，結果如圖3所示，水體圖包含兩個部分，其中外側為靜止流體部分，中部為葉輪旋轉水體部分。

圖3 水體流道圖

3.2 仿真流程

使用ANSYS V17.0軟件中的流體處理模塊CFX進行仿真求解和數據提取。

3.2.1 網格劃分

網格劃分均采用四面體網格（Tetrahedrons Method）方式，劃分精度選取最高級（fine），劃分結果如圖4所示，產生節點360865個、單元1965218個。

圖4 網格劃分結果

3.2.2 進口邊界設置

進口與出口邊界設置如圖5所示。

圖5 流道進出口邊界設置

3.2.3 流場分析設置

將劃分網格好的模型導入CFX-Pre中，如圖6所示。

3.2.4 定義多相的特性

定義第一相水和第二相空氣，本次分析定義為不可壓縮的液態水，密度997.0 kg/m3、動力粘性8.899E-4 kg/(m·s)。同時定義空氣與水之間的交互作用。

圖6 導入模型到CFX中

3.2.5 公式編輯

本曝氣機主要考核的技術指標為兩項：

（1）向水體充入的含氧量不低于1～2 kg/（kW·h）；

（2）曝氣機效率不低于80%。

因此，本次仿真分析將含氧量與效率作為監控的目標。

水泵葉輪效率為：

式中：為水泵葉輪效率；P為有效功率；為軸功率。

設揚程為myH、軸功率為myPower、效率為myEfficient，則可得到并輸入以下公式：

myEfficient=Qinlet*9.8[kgs^-2]*myH/myPower

myH=(massFlowAve(TotalPressureinStnFrame)@inlet)/997.0[kgm^-3]*9.8[ms^-2]

myPower=-1.0*(torque_z()@blades+torque_z()@hub+torque_z(()@shroud)*RotationVelocity

本次葉輪的旋轉軸為軸，因此提取軸方向葉輪表面的扭矩。

輸入其余的邊界條件，根據曝氣機工況參數，流量0.186 m3/s、轉速650 r/min，選擇SST湍流模型進行計算。

3.3 結果分析

采用CFX-Post(Results)軟件對計算結果進行提取分析。

3.3.1 總體流場分布

流場速度（3D流線）分布如圖7所示，當水流進入葉輪區域后速度明顯增大，葉輪附近平均流速在5～11 m/s、最大值為15.2 m/s。選取其中一個橫截面觀察其壓力分布如圖8所示，可以看出葉輪周圍的壓力明顯大于其余部分。

通過圖7中的3D流線分布可知，液體的高速區域位于轉輪氣液混合區域、導葉區域和出口區域，液體流速由轉輪水口區至轉輪出口區逐漸增加，在出口達到最大值，之后開始遞減。通過圖8可以看出，轉輪區域處于高壓，轉輪區域內壓力從進口往出口逐漸增加，在葉輪出口達到最大值，之后逐漸降低。

圖7 流場速度分布

轉輪中心區域速度和壓力都較低，且低壓區域一直沿著葉片根部往出口延伸。這主要是因為轉輪中心區域內流體為氣體，跟隨曝氣機一起旋轉對液體做功，在離心力作用下外界氣體沿著曝氣機吸入轉輪內，因此轉輪內整個區域壓力為負壓。

3.3.2 空氣在水中的溶解度

空氣對水屬于難溶氣體，它在水中的傳質速率受液膜阻力控制，此時空氣的傳質速率可表示為[4]：

＝K(*－)＝KΔ（19）

式中：為空氣傳質速率，kg/(m2·h)；K為液相總傳質系數，m3/(m2·h)；*和分別為空氣在水中的平衡濃度和實際濃度，kg/m3。

空氣在水中的溶解平衡用亨利定律表示為：

＝Kp（20）

式中：為空氣在水中的溶解度，L/m3；K為不同溫度下空氣在水中的溶解度系數，L/(kPa·m3)；為溶液上方的空氣平衡分壓，kPa

讀取葉輪附近的平均壓強為12980 Pa，溫度設為20℃，則K值為0.158，計算得此時空氣在水中的平衡溶解量為22.40 ml/L。換算成含氧量汽耗率為2.41 kg/(kW·h)。已經超過設計所需的2 kg/(kW·h)，說明含氧量這項指標滿足設計要求。

圖8 不同方向截面壓力分布圖

3.3.3 效率曲線

通過圖9所示的效率曲線可以看出，當效率曲線穩定后，其值為84.5%，已經超過設計所需的80%，證明了本曝氣機達到了設計要求。

圖9 效率曲線

4 結論

本文通過理論計算與有限元仿真相結合的方式，仿真了上流式水輪曝氣機的工作情況，利用ANSYS－CFX軟件，通過多相湍流模型，依據仿真結果得到了兩相流場情況的變化規律，驗證了本曝氣機的實際工況效果，其兩項指標均高于設計要求。本次仿真分析表明此上流式水輪曝氣機能夠達到增加水中含氧量，從而達到改善河道水質的目的。

[1]王一平，黃偉飛. 02BG復葉式節能曝氣機的性能及其應用[J]. 環境工程，1999，17（6）：25-27.

[2]孫從軍，張明旭. 河流曝氣技術在河流污染治理中的應用[J].環境保護，2001（4）：12-16.

[3]周云龍，孫斌，陳飛.氣液兩相流型智能識別理論及方法[M].北京：科學出版社，2007.

[4]程文，宋策，周孝德. 曝氣池中氣液兩相流的數值模擬與實驗研究[J]. 水利學報，2001（12）：32-34.

[5]蘭林強，羅偉林. 基于參數化建模和CFD數值模擬的船舶球鼻艏優化設計[J]. 機電工程，2016，33（11）：1329-1333.

CFD Simulation Analysis of Upflow Turbine Aerator

ZENG Mengwei1，XUE Bo2，LIN Hua1，YUE Ting1

(1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute,Chengdu 610063, China; 2.China Quality Mark Certification Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610014, China)

The three-dimensional modeling of the aerator hydraulic is created to ensure the performance of the aerator to meet the design requirements. Based on the k-ω multiphase turbulence model, ANSYS CFX finite element simulation software is used to simulate the internal flow field of the aerator. In the process, the paper analyzes the diffusion process, mass transfer process and gas-liquid two-phase flow theory. The velocity profile and pressure distribution chart of the flow field inside the aerator are obtained. Two main technical indexes of the oxygen content of the aerator and the aerator efficiency are calculated. The results show that the two technical indexes, which are obtained from numerical simulation of three-dimensional multiphase turbulence through computational fluid dynamics, meet the design requirements. The research finding provides reference and guidance for the optimal design of the aerator.

aerator；multiphase turbulence；oxygen content in liquid；aerator efficiency

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.005

1006－0316 (2018) 06－0032－06

2017－12－26

曾夢瑋（1989－），女，四川自貢人，本科，工程師，主要研究方向為機械設計制造及計算機輔助設計。