滲濾液用射流曝氣臂結(jié)構(gòu)模擬及性能優(yōu)化

徐冬磊，韓 穎，張建國，張 威

（維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州213000）

在我國垃圾滲濾液處理過程中，經(jīng)常使用好氧生化處理工藝，作為該工藝的重要組成部分，曝氣裝置得到了廣泛應(yīng)用。曝氣是指將空氣中的氧氣強(qiáng)制向水體中轉(zhuǎn)移的過程，其目的在于增加水中的溶解氧，提高傳質(zhì)效率，加強(qiáng)池內(nèi)有機(jī)物及微生物與溶解氧的接觸效果，從而保證微生物對污水中有機(jī)物的充分降解。

目前曝氣方式主要有機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣和射流曝氣，與前兩者相比較，射流曝氣器具有較高的充氧能力，混合攪拌作用強(qiáng)，維修管理方便。但從射流曝氣器在滲濾液處理領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)行來看，吸入水中的氧并未得到充分利用，大部分都以氣泡聚并的方式從池體表面溢出，導(dǎo)致氧利用率低，從而限制了射流曝氣器的推廣應(yīng)用。

針對目前射流曝氣器的缺點(diǎn)與不足，本研究對其曝氣臂部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改良與流體力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，通過考查對比各曝氣臂模型邊界內(nèi)的壓力場分布、速度場分布、氣液兩相分布、湍流動能及其耗散率分布等流場信息參數(shù)，確定了曝氣器的最佳優(yōu)化設(shè)計模型，為后續(xù)曝氣器的工程實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)，具有參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程與方法

1.1 CFD模擬

本研究為了能夠獲取單一曝氣臂內(nèi)流經(jīng)介質(zhì)的流場狀態(tài)及變化情況，采用ANSYS公司的CFD軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格建模與流體力學(xué)模擬。鑒于曝氣臂內(nèi)的流經(jīng)介質(zhì)為兩相流（水相和空氣相），為了能夠更精準(zhǔn)地獲得模型邊界內(nèi)的相關(guān)流場信息，采用CFD中的Eulerian雙流體模型和Standard-k-ε湍流模型對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

1.2 過程與方法

為了實(shí)現(xiàn)對原有曝氣臂的改良優(yōu)化及模擬效果驗(yàn)證，首先需要依次對原曝氣臂及優(yōu)化后的曝氣臂進(jìn)行網(wǎng)格建模，然后對各自模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，分別獲得模型邊界內(nèi)流體的壓力場分布、速度場分布、氣液兩相分布、湍動動能及其耗散率分布等重要參數(shù)，隨后根據(jù)相關(guān)模擬結(jié)果，對比并篩選出最佳的優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，從而最終確定曝氣臂的優(yōu)化方案。最后考查并驗(yàn)證曝氣臂優(yōu)化前后對周圍流場限定區(qū)域的噴射效果。如圖1所示為原曝氣臂及其結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化后曝氣臂的網(wǎng)格建模。

圖1 曝氣臂的網(wǎng)格建模

圖1中左側(cè)為原曝氣臂模型，通過建模還原可以看出原曝氣臂由兩級噴嘴組成，一級噴嘴Ф43×45 mm，二級噴嘴Ф40×190 mm（一、二級噴嘴間的過渡區(qū)無實(shí)際意義，僅為區(qū)分一、二級噴嘴腔體的建模而繪制），兩級噴嘴皆為均徑噴嘴，水相從一級噴嘴中心管口①進(jìn)入。空氣相由二級噴嘴的側(cè)管口②吸入，氣液兩相在二級噴嘴腔體內(nèi)經(jīng)充分混合并完成相間傳質(zhì)后（空氣相以溶解氧的形式進(jìn)入到水體中），由二級噴嘴口噴射入池，完成射流曝氣的全過程。圖1中右側(cè)是在原曝氣臂的基礎(chǔ)之上，通過逐步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)而得到的模型，其中③是在一級噴嘴內(nèi)增設(shè)旋流結(jié)構(gòu)，④是將一級均徑噴嘴優(yōu)化為變徑噴嘴，⑤是改變進(jìn)氣方式，將原先的側(cè)臂圓管進(jìn)氣優(yōu)化為環(huán)狀縫隙進(jìn)氣，⑥是將二級均徑噴嘴優(yōu)化為變徑噴嘴。待優(yōu)化前后的曝氣臂建模結(jié)束后，依次設(shè)定進(jìn)水量為15 m/h，進(jìn)氣量為60 m/h（氣水比為4∶1），開始模擬運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)束后，可獲得各模型邊界內(nèi)的流場信息，包括壓力場分布、速度場分布、氣相體積分?jǐn)?shù)分布、湍動動能及其耗散率分布等參數(shù)。通過對比模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可確定最佳的優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步考查并驗(yàn)證曝氣臂優(yōu)化前后對周圍流場限定區(qū)域的噴射效果，采用計算可行度大、網(wǎng)格質(zhì)量高的Fluent Meshing模型進(jìn)行噴射流場區(qū)域建模，具體模型如圖2所示。

圖2 曝氣臂噴射流場區(qū)域的網(wǎng)格建模

建模結(jié)束后，分別考查并對比優(yōu)化前后曝氣臂在限定噴射區(qū)域內(nèi)的相關(guān)流體信息參數(shù)，以便于驗(yàn)證入池噴射效果的改善情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 原曝氣臂的模擬

圖3所示為原曝氣臂模型邊界內(nèi)各流場信息參數(shù)的模擬計算結(jié)果。

圖3 原曝氣臂模型流場信息參數(shù)

從圖3中可以看出，由于一級均徑噴嘴腔體內(nèi)未設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)，液相從中心管進(jìn)入一級噴嘴腔體內(nèi)不會產(chǎn)生旋流效應(yīng)，液相湍動程度較弱，不利于后續(xù)二級噴嘴腔體內(nèi)氣液兩相的均勻混合。從圖3（c）中可以明顯看出，二級噴嘴腔體內(nèi)氣液相間存在明顯的相界面，水體僅從二級噴嘴的中心圓截面噴出，空氣僅從其周邊的同心環(huán)截面噴出，說明氣液兩相在二級噴嘴腔體內(nèi)并未得到充分混合，氣相傳質(zhì)僅在氣液接觸表面進(jìn)行，由于接觸面積有限，不利于溶解氧向液相中的擴(kuò)散傳質(zhì)。從圖3（a）（b）中可以看出，二級噴嘴口處氣水混合相的壓力分布為負(fù)值，速度分布也很小，僅有3～5 m/s，這樣不利于氣水混合物的噴射入池。從圖3（d）（e）中可以看出，湍流動能及其耗散速率的最大值，僅集中于進(jìn)氣管一側(cè)貼壁處，這與圖3（b）中的速度場分布情況類似，而整個模型內(nèi)的平均湍流動能及其耗散率極小，幾乎為零，這進(jìn)一步說明原曝氣臂模型內(nèi)氣液兩相間的湍動程度不佳。

2.2 設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)后的模擬

在原曝氣臂一級噴嘴內(nèi)設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)，其模型邊界內(nèi)各流場信息參數(shù)的模擬計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)后的模型流場信息參數(shù)

從圖4中可以看出，通過設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)，可大幅提升進(jìn)水湍流擾動程度，更有利于后續(xù)二級噴嘴腔體內(nèi)氣液相的充分混合，從而提高氣液傳質(zhì)效率。從圖4（a）可以看出，增設(shè)旋流裝置后，一級噴嘴腔體內(nèi)的流體壓力場分布得到明顯改善：與未設(shè)置旋流結(jié)構(gòu)的模型相比，該模型一級噴嘴腔體內(nèi)的壓力分布層次分明，沿著噴嘴的徑向方向由外到內(nèi)的壓力分布逐漸減弱，尤其在噴嘴及過渡區(qū)的中心位置處，產(chǎn)生了液相負(fù)壓，更有利于進(jìn)氣管中空氣的卷吸進(jìn)入。從圖4（c）可以看出，二級噴嘴腔體內(nèi)的氣液兩相混合效果也得到顯著改善，氣相分布變得紊亂，氣液相間再無明顯相界面，傳質(zhì)接觸面變得更大更廣，有利于溶解氧向液相中的傳質(zhì)過程。從圖4（d）（e）中可以看出，湍流動能及其耗散率分布由原先進(jìn)氣管貼壁處極大值向二級噴嘴中心區(qū)域移動，其分布區(qū)域面積及數(shù)目有所增大和變多，分散程度有所增加，說明增設(shè)旋流裝置對模型內(nèi)氣液相間的湍動程度有所改善。

2.3 一級噴嘴及進(jìn)氣方式優(yōu)化后的模擬

基于上述模擬實(shí)驗(yàn)，在保持旋流結(jié)構(gòu)不變的情況下，依次對一級噴嘴和進(jìn)氣方式進(jìn)行逐步優(yōu)化，將一級均徑噴嘴優(yōu)化為一級變徑噴嘴，將側(cè)壁直管進(jìn)氣方式優(yōu)化為環(huán)隙進(jìn)氣方式，具體優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

表1 一級變徑噴嘴及環(huán)隙進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)

圖5為上述（1）～（4）各模型邊界內(nèi)流場信息參數(shù)的模擬運(yùn)算結(jié)果。

從圖5可以看出，在保持進(jìn)水液相旋流不變的情況下，通過優(yōu)化一級噴嘴結(jié)構(gòu)、改變進(jìn)氣方式等優(yōu)化措施，可進(jìn)一步加大進(jìn)水中心處的負(fù)壓值，根據(jù)文丘里效應(yīng)，可大幅增加空氣的吸入量。與此同時，兩級噴嘴腔體內(nèi)的流體速度分布較之前也有了較大提升，氣液混合相的噴射動能也隨之增加。除此之外，從圖5（c）的立體分布圖可以看出，氣液兩相剛剛交匯時存在明顯相界面，隨著噴射過程的進(jìn)行，二級噴嘴腔體內(nèi)氣液兩相的混合變得越來越均勻，直至噴嘴出口，氣液兩相已完全混合。這是因?yàn)榄h(huán)隙進(jìn)氣方式中獨(dú)特的環(huán)形狹縫構(gòu)造，不僅可使空氣的吸入氣速劇增，更重要的是可大幅提升液相對空氣的水力剪切力。在強(qiáng)大剪切力的作用下，吸入空氣被壓縮成體積更小的氣泡，加大了氣液接觸面積，極大促進(jìn)了空氣向水體中的混合擴(kuò)散。從圖5（d）（e）中可以看出，兩級噴嘴腔體內(nèi)的湍流動能及其耗散率的分布區(qū)域面積和數(shù)目進(jìn)一步增多，二級噴嘴腔體前半段內(nèi)混合相的湍動程度最大，而后逐漸減弱，說明需要進(jìn)一步對二級噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 一級變徑噴嘴及環(huán)隙進(jìn)氣的模型流場信息參數(shù)

通過對比（1）～（4）模型的模擬結(jié)果，不難看出在（2）（4）模型下，兩級噴嘴過渡區(qū)的負(fù)壓區(qū)域面積較大，兩級噴嘴腔體內(nèi)的湍流動能及其耗散率分布區(qū)域面積及數(shù)目相對較多。與（1）（3）模型相比，（2）（4）中的湍流動能及其耗散率分布不僅在二級噴嘴腔體前半段內(nèi)較高，同時在一級變徑噴嘴內(nèi)也較高。這進(jìn)一步說明，一級噴嘴縮頸幅度越大，流經(jīng)噴嘴流體的壓力跳躍就越大，其湍動能力越顯著。

2.4 二級噴嘴優(yōu)化后的模擬

為了進(jìn)一步提高曝氣臂內(nèi)氣液混合相的噴射動能，提高相間湍動程度與氣相傳質(zhì)效率，在保持旋流結(jié)構(gòu)、一級變徑噴嘴結(jié)構(gòu)及環(huán)隙進(jìn)氣方式不變的情況下，繼續(xù)對二級噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。基于上述（2）（4）模型，分別對二級噴嘴做縮徑及擴(kuò)徑處理，通過對比模擬數(shù)據(jù)來確定二級噴嘴的最佳優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

如表2所示，為二級變徑噴嘴的優(yōu)化方式及相關(guān)參數(shù)。

表2 二級變徑噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)

圖6所示為上述（1）～（6）各模型邊界內(nèi)流場信息參數(shù)的模擬運(yùn)算結(jié)果。

圖6 二級變徑噴嘴的模型流場信息參數(shù)

從圖6（c）中可以看出，二級噴嘴縮擴(kuò)徑對模型腔體內(nèi)流體混合的均勻程度幾乎未產(chǎn)生影響，即無論二級噴嘴發(fā)生縮徑還是擴(kuò)徑變化，氣液兩相經(jīng)過兩級噴嘴后均能實(shí)現(xiàn)完全混合并噴射入池。從圖6（a）中可以看出，當(dāng)二級噴嘴發(fā)生擴(kuò)徑變化時，兩級噴嘴過渡區(qū)域的負(fù)壓面積變大，更有利于空氣的吸入，但二級噴嘴腔體內(nèi)的壓力場并無顯著變化；當(dāng)二級噴嘴發(fā)生縮徑變化時，兩級噴嘴過渡區(qū)域的負(fù)壓面積略有減小，但二級噴嘴腔體內(nèi)的壓力場卻得到增幅加強(qiáng)，提高了氣液混合相的噴射壓力。從圖6（b）中可以看出，當(dāng)二級噴嘴發(fā)生擴(kuò)徑變化時，其腔體內(nèi)位于噴射中心處的流體速度場明顯衰減，導(dǎo)致噴嘴口的噴射速度小于1 m/s，與之相比，二級噴嘴的縮徑變化卻能使其腔體內(nèi)的流體速度場收斂加強(qiáng)，以至其噴嘴口處的噴射速度有所增加（由均徑時的2 m/s增大至3 m/s），這是因?yàn)檫B續(xù)性流體在噴射過程中，隨著流通截面積的逐漸減小，噴射速度是逐漸增加的。從圖6（d）（e）中可以看出，與二級噴嘴變化相比，縮徑變化能整體加強(qiáng)模型內(nèi)氣液混合相的湍流動能及其耗散率，兩者的分布區(qū)域面積及數(shù)目均有所增大和變多，分散程度得到進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是二級噴嘴口處的湍動能及耗散率分布有了明顯改善，說明二級噴嘴的縮頸結(jié)構(gòu)增加了流體的壓力跳躍程度，提高了氣液混合相間的湍動程度，氣液混合發(fā)生得更加劇烈。

從圖6（d）（e）中還可以看出，就模型內(nèi)湍流動能及其耗散率的增幅強(qiáng)化而言，模型（6）比模型（3）要更好一些，這是因?yàn)槟Ｐ停?）的一級變徑軸長比模型（3）的略短一些，以至流體在一級噴嘴內(nèi)的壓力跳躍變化梯度加快，再加上二級噴嘴縮徑結(jié)構(gòu)的疊合效應(yīng)，引起湍動能及耗散率的增大。

2.5 不同優(yōu)化模型下的流體壓降運(yùn)算

為了進(jìn)一步探究并考查各優(yōu)化模型下的流體壓降情況，理論評估曝氣臂的能量消耗，將所有優(yōu)化模型的水側(cè)壓降及空氣側(cè)壓降數(shù)據(jù)統(tǒng)計在表3中。

表3 不同優(yōu)化模型的流體壓降數(shù)據(jù)

從表3可以看出，序號7“短前43-20-30，40-30-190”的優(yōu)化模型經(jīng)模擬運(yùn)算后的水側(cè)壓降最小（僅111.3 kPa），空氣側(cè)壓降也較小（36.5 kPa，與最小值20.4 kPa相當(dāng)接近），說明氣液混合相在該模型內(nèi)的噴射過程中，產(chǎn)生的壓阻損失及理論能耗最小。綜合上述模型的流場信息參數(shù)分析，曝氣臂采用“液相旋流+環(huán)隙進(jìn)氣+兩級變徑噴嘴”的方式為最佳優(yōu)化模型，其中一級噴嘴由43 mm縮至20 mm，軸長30 mm；二級噴嘴由40 mm縮至30 mm，軸長190 mm。

2.6 限定區(qū)域噴射效果的模擬

如圖7所示，分別為原模型和最佳優(yōu)化模型在周圍限定區(qū)域內(nèi)噴射的流場信息參數(shù)。

圖7 限定區(qū)域內(nèi)噴射的流場信息參數(shù)

對比兩模型在周圍限定區(qū)域內(nèi)的噴射效果后發(fā)現(xiàn)，從最佳優(yōu)化模型噴出的氣水混合相的速度場與原模型相比有所增強(qiáng)，且更加收斂。除此之外，從圖7（d）（e）中可以明顯看出，最優(yōu)曝氣臂模型對限定區(qū)域池底流體的湍流動能及其耗散率分布有較大影響，并使其顯著增強(qiáng)。這說明經(jīng)過液相旋流、環(huán)隙進(jìn)氣及兩級變徑等一系列改良結(jié)構(gòu)后噴出的氣水混合物會把更多的湍動能帶入周邊流體，增加了池體流體的擾動，更有利于提高池內(nèi)氣液相間的傳質(zhì)效率，同時也進(jìn)一步減緩了池內(nèi)污泥沉降堆積的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）通過在原曝氣臂上增設(shè)液相旋流結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了進(jìn)水湍動程度，大大增加了氣液相間的傳質(zhì)接觸面，在曝氣臂腔體的兩相混合區(qū)內(nèi)再無明顯相間界面出現(xiàn)。

（2）通過改變原曝氣臂的進(jìn)氣方式，由直管進(jìn)氣優(yōu)化為環(huán)隙進(jìn)氣，可大幅增強(qiáng)水相對空氣的剪切力，氣相被壓碎成更多更小的氣泡，氣液相間傳質(zhì)得到顯著提高。

（3）通過優(yōu)化原曝氣臂的兩級變徑結(jié)構(gòu)，將原一二級均徑噴嘴優(yōu)化為縮徑噴嘴，增幅強(qiáng)化了曝氣臂內(nèi)流體的壓力跳躍程度，氣液混合相的湍流動能及其耗散率得到收斂加大，氣液相間的湍動程度變得更加劇烈。

（4）通過計算不同模型內(nèi)的流體壓降，分析各模型的相關(guān)流場信息參數(shù)，確定了曝氣臂采用“液相旋流+環(huán)隙進(jìn)氣+兩級變徑噴嘴”的方式為最佳優(yōu)化模型，其中一級噴嘴由43 mm縮至20 mm，軸長30 mm；二級噴嘴由40 mm縮至30 mm，軸長190 mm。

（5）從最佳優(yōu)化模型噴出的氣水混合相可增加周邊池體內(nèi)流體的擾動，有利于提高池內(nèi)氣液相間的傳質(zhì)效率，同時有效減緩池內(nèi)污泥沉降堆積的發(fā)生。