污水處理設備增氧推流裝置參數優化研究

高來順，虞波，閔廣山

（揚州澄露環境工程有限公司，江蘇 揚州 225000）

作為污水處理絮凝物，活性污泥里存在一定的好氧微生物，可以有效吸附漂浮物，使有害物質得到有效降解，以及部分有機物的氧化。但活性污泥僅在自然條件下難以有效分解有機物，為使微生物新陳代謝速度有所提高，使微生物分解能力有所加快，在該過程中需人工介入。可人工介入的過程為充氧曝氣階段，該階段可以將純氧或者空氣充入，使污水和氧氣充分接觸，以增強微生物的分解能力。

在充氧曝氣階段，水下曝氣機是核心單元，曝氣機的功能是否得以有效發揮對該階段的凈化效果有重要影響，其中，射流速度等是影響曝氣機工作效率的重要因素，因此，在研究污水處治技術時必須先對推流裝置的推進效率進行研究。

1 葉梢間隙對推進效率的影響

以某增氧曝氣機為研究背景，其所用為導管螺旋槳為大側斜式。相比普通螺旋槳，該種導管螺旋槳有更大的推進效率，因為其導管內有較快的流體速度且壓力較低，導管管壁在內外壓力差的作用下會形成一定的附加壓力，可使尾流有所減少，從而降低能量損失。此外，較小的葉梢間隙也可降低繞流損失。葉梢間隙結構見圖1，以表示葉梢間隙，具體是指垂直于同一直徑方向上導管和梢圓的距離。

圖1 葉梢間隙示意圖

螺旋槳的推進效率受到螺旋槳葉梢間隙和進水速度的影響。當導管螺旋槳處于水中時，固定進口速度和轉速，改變葉梢間隙大小，可以得到隨葉梢間隙的變化螺旋槳推力系數和扭矩系數的變化規律，同理，在固定葉梢間隙和轉速時，可以得到隨進速變化螺旋槳推力等的變化規律。

1.1 葉梢間隙仿真及優化

具體流程如圖2所示。

圖2 葉梢間隙優化示意圖

基于所使用的導管類型螺旋槳，研究導管和螺旋槳的間隙。若葉梢間隙合適，將會使螺旋槳推進效率得到有效提高。所依托的螺旋槳有184mm的直徑D，以螺旋槳直徑按倍數遞增的方式選取葉梢間隙，具體如表1所示。

表1 葉梢間隙數值（單位：mm）

所建立流體區域如圖3所示。

圖3 建立計算域

考慮到葉梢間隙的不同，所建立的計算域尺寸也會隨之不同，因此，從小到大一次定義葉梢間隙。如方案一里螺旋槳長度為0.114m、187.65mm的靜止區域直徑和1.84mm的葉梢間隙。

1.2 葉梢間隙對推進效率的影響

所得結果如表2所示。

表2 不同間隙下螺旋槳推力系數和扭矩系數

從結果看，隨著不斷增加的葉梢間隙，螺旋槳推力系數不斷減小，在1.84的葉梢間隙下，螺旋槳推力系數為0.894，在9.20的葉梢間隙下，螺旋槳推力系數為0.619，有較大的降低幅度，此外，扭矩系數也從0.0250降低到0.0170，也有較大的變化幅度。該結果與現有研究規律基本一致。進一步研究螺旋槳效率的變化規律可得出圖4所示結果。

圖4 螺旋槳效率與葉梢間隙的關系

螺旋槳推進效率隨著不斷增加的葉梢間隙而逐漸降低，在6mm以上的葉梢間隙下，曲線斜率不斷降低，推進效率減少程度有所緩慢，并在最后保持平穩。

基于所得結論，在最優原則的基礎上選擇以最小間隙為最終方案，但考慮到實際制作時加工工藝和變形等因素的影響，建議以0.25-0.05R作為葉梢間隙的選取原則。從最優角度出發，選擇以0.025R的葉梢間隙作為研究對象，文中0.025R等于2.3mm，此時有186.6mm的導管直徑，螺旋槳有較高的工作效率。經仿真分析可以看出，在2.3mm的葉梢間隙下螺旋槳有0.884的推力系數和0.0259的扭矩系數，而原模型有8mm的螺旋槳間隙，有0.656的推力系數和0.0182的扭矩系數，兩者相比之下，約有35%的推力提升和45%的扭矩提升，因此，改進后的結構比原有結構有更高的推進效率。后續將以改進后的結構作為結構方案。

基于所確定的螺旋槳間隙，以螺旋槳的某一推力系數為背景，研究螺旋槳此時的受力及其周邊的流線和速度的分布狀況。以0.4作為進速系數，可得在2.3mm的葉梢間隙下。

從結果看，在流體作用下螺旋槳槳葉出現一定的壓力差時，將會有流體流入螺旋槳入流口，在螺旋槳槳葉導邊處會出現最小速度，隨著螺旋槳槳葉流體隨邊流去時，水流速度會出現一定的增長，并從螺旋槳出流口中射流，使流速有所增加。對螺旋槳外側水壓力做出進一步探討可知，在螺旋槳槳葉導邊位置有最小的速度和最大的壓力值，在從導邊流向隨邊時，速度不斷增加，導致葉背處的壓力有所降低以表現出低壓區，且葉背和葉面會有壓力差出現，進而表現出朝著螺旋槳軸向的推力。

在模擬時，螺旋槳推力隨著不斷變化的迭代步數所表現的規律為：在轉動初期，螺旋槳推力很快到達最大值，而又較快下降，并在最后保持穩定。螺旋槳推力很快達到峰值的原因在于螺旋槳開始旋轉時有較大的水流攻角。因此，在啟動初期不宜使用高速啟動，以避免有大攻角出現導致較大的旋轉阻力，使得設備出現超負荷的情況。

2 槳葉盤面比和螺距比的影響

2.1 槳葉盤面比

為對螺旋槳槳葉盤面比和推進效率的聯系進行研究，在固定螺旋槳葉梢間隙，僅變化槳葉盤面比的情況下，分析螺旋槳推進效率。本文使用的是大側斜式螺旋槳，保持槳葉數目和葉梢間隙不變，在0.97～1.17的盤面比下開展研究。所得結果如圖5所示。

圖5 不同盤面比水動力性能曲線

從結果看，在固定螺旋槳葉梢間隙和葉片數量的情況下，推力系數隨著不斷增加的螺旋槳進速系數而不斷減小，而推力系數和扭矩系數隨著盤面比的不斷增大會隨之不斷增加，但盤面比的增長會在一定程度影響效率，螺旋槳推進效率隨著不斷增大的盤面比而不斷降低。

2.2 螺距

探討導管螺旋槳槳葉在螺距比不同時的水動力性能。從文獻[9]可以知道，一般以0.63～1.5作為螺旋槳螺距比，本文以0.415～1.4作為螺旋比取值范圍。考慮到該處所用為導管槳，螺距比較大時應和導管相匹配，從現有經驗上看，加長導管僅會對導管螺旋槳性能造成較小影響，從文獻[10]可以知道，加長導管一般僅會有1%的影響，因此，在固定葉梢間隙的前提下，所用導管應和螺距比相匹配，此處導管性質通過導管長徑比參數表征。所得結果分別如圖6～8所示。

圖6 不同螺距比推力系數曲線

圖7 不同螺距比扭矩系數曲線

圖8 不同螺距比效率曲線

可以看出，當進速系統一定時，隨著不斷增大的螺距比，推力系數不斷增加。原因在于槳葉螺距角的增大會使槳葉和水流的接觸攻角也隨之增大，且槳葉前后速度差也會不斷增大，從伯努利定律可以知道，壓差的增加會增加螺旋槳推力。即在一定的進速系數下，螺距比的增加會在一定程度上增加推力系數。

可知，隨著不斷增大的螺距比，扭矩系數也隨之增加，原因在于槳葉和流體攻角的增加會使得阻力也一并增加，而旋轉阻力又會產生一定程度的扭矩，因此增大了扭矩系數。

固定螺距比的情況下，隨著不斷增加的進速系數，螺旋槳效率表現出先上升后降低的規律，在0.5的進速系數下，隨著不斷增加的螺距比，效率隨著減小，在0.5以上進速系數下，隨著不斷增大的螺距比，每條曲線最高效率不斷增加，當螺距比遞增時，每條曲線的效率峰值也不斷增加。

3 結語

我國污水排量逐年提高，污水治理已經不容忽視。水下曝氣機是典型的污水處理設備，其工作原理是在污水中融入氧氣，以使水中氧氣含量得到提高，以氧化分解污水中有害物質，因此，曝氣機溶氧效率的增強是重點所在。本文通過數值模擬仿真分析的方式探討了增氧曝氣機的推流裝置各參數和推進效率的聯系，以期為污水處理設備的優化設計提供參考。

（1）結構效率在2.3mm的葉梢間隙下最高。此外，需注意設備不宜高速啟動，以避免產生超負荷。

（2）隨著不斷增大的盤面比，推力系數和扭矩系數均不斷增大，但結構效率隨著盤面比的增大會有所降低。

（3）隨著螺距比的不斷增加，推力系數和扭矩系數均不斷增大，但螺旋槳效率則表現出先增后減的規律。