基于Fluent的射流曝氣頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

李東方，黃增陽，許中琛，吳騰飛，?；菀唬挠?，陳恩亮

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心，浙江 衢州 324000)

0 引言

曝氣裝置是使空氣同水能夠強(qiáng)烈接觸發(fā)生氣液兩相交換傳遞的一種裝備。能把有機(jī)物廢水中揮發(fā)性物質(zhì)通過溶氧帶出到自然空氣中，這就是曝氣所要達(dá)到的目的。簡(jiǎn)而言之，曝氣就是起到促進(jìn)氣液相之間物質(zhì)交換作用。利用曝氣方式，能把氧在氣液相間進(jìn)行傳遞或交換，實(shí)現(xiàn)氧從氣相到液相進(jìn)行傳質(zhì)。四川大學(xué)的趙梁[1]等，認(rèn)為發(fā)生器中影響流場(chǎng)分布的是機(jī)械結(jié)構(gòu)和流動(dòng)工藝參數(shù)。分析了氣泡的運(yùn)動(dòng)和流體旋轉(zhuǎn)過程。研究了裝置的空化機(jī)理，為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的方法。浙江大學(xué)的楊洋[2]，把曝氣工程和實(shí)際的處理工藝相結(jié)合，采用CFD(Computered Fluid Dynamic)研究方法對(duì)曝氣過程進(jìn)行了研究。探究了兩相流體模型的仿真結(jié)果。三峽大學(xué)的陳從平[3]等，分析了曝氣裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)性能的作用情況。對(duì)不同機(jī)械結(jié)構(gòu)條件下的流體分布情況進(jìn)行了仿真研究。為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一些參考數(shù)據(jù)。綜上所述，為了達(dá)到更好的空化效果，有必要對(duì)曝氣頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及到的流體動(dòng)力學(xué)(Fluid Dynamic)等相關(guān)理論進(jìn)行進(jìn)一步地分析和研究。

1 仿真分析模型建立

一般的，曝氣頭[4]主要組成部分有噴嘴、進(jìn)氣管、混合氣管及擴(kuò)散管等。微氣泡發(fā)生器曝氣頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示圖如圖1(a)所示，D1～D5、l1～l5為主要尺寸，2α為擴(kuò)散管收縮角。

1.1 幾何模型簡(jiǎn)化、流體域建立及網(wǎng)格劃分

在實(shí)際計(jì)算過程中，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，可以減輕計(jì)算強(qiáng)度。根據(jù)分析模型的幾何、初始條件的對(duì)稱性，簡(jiǎn)化成二分之一模型。利用inventor軟件進(jìn)行3D幾何建模，并對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，直接進(jìn)行流體域3D建模，然后將幾何3D模型以STP格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入到Fluent中，在DM模塊進(jìn)行體切分處理，最終獲得處理后的完整3D計(jì)算域模型。把上述生成流體域?qū)氲組esh模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)仿真分析的計(jì)算殘差對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化和調(diào)整，通過調(diào)整，最終模型單元數(shù)量在220萬左右。網(wǎng)格劃分后模型，如圖1(b)所示。

1.2 材料特性設(shè)置和邊界條件設(shè)定、求解設(shè)置

曝氣頭的入口為液態(tài)水，頂部為空氣進(jìn)口。在Material界面設(shè)置兩種材料常溫下的物理特性[3]。設(shè)置主相、第二相的特性。液體進(jìn)口處采用velocity-inlet邊界，大小由進(jìn)口流量和結(jié)構(gòu)尺寸確定。氣體進(jìn)口處采用pressure-inlet邊界。液氣混合出口采用pressure-outlet邊界。湍流強(qiáng)度均設(shè)置為0.05。對(duì)幾何對(duì)稱面采用Symmetry邊界，其他為wall邊界。數(shù)值模型采用3D雙精度、多相流為VOF、標(biāo)準(zhǔn)可視化k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，水氣兩相之間表面張力系數(shù)取為0.073，同時(shí)考慮重力影響，在Z方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m·s-2，采用隱藏剛體力。初始化后，設(shè)求解步數(shù)初步為10 000步。

圖1 曝氣頭結(jié)構(gòu)和流體域二分之一三維網(wǎng)格模型

2 仿真結(jié)果分析

采用單因素法，對(duì)影響曝氣頭射流流體分布情況進(jìn)行分析。沒有特殊說明情況下，所分析模型，其機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是D1為?12.5 mm，D2為?13.5 mm，D3為?13.5 mm，D4為?40 mm，D5為?44 mm，2α為10°，l1為39.5 mm，l2為103.7 mm，l3為34.5 mm，l4為75 mm，l5為66 mm，l6為56.8 mm；其工藝參數(shù)分別取入口流量Q1為12 m3·h-1，入口壓力Pi2為0.1 MPa及出口背壓Po3為500 Pa(即出口為大氣狀態(tài))。通過后處理，分別提取曝氣頭中心軸向位置(X)上的流體運(yùn)動(dòng)速度和壓力分布數(shù)據(jù)，繪制成曲線圖。

2.1 不同出口擴(kuò)散管收縮角2α條件下分布情況

取2α分別為8°、9°和10°的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖2可知，在水流和氣流到達(dá)喉管入口處之前，流體速度幾乎一致，在軸向位置約為0.143 m處，發(fā)生較明顯變化，而且隨著出口擴(kuò)散管收縮角度的增大而呈現(xiàn)急劇減小態(tài)勢(shì)。壓力分布上，隨著出口擴(kuò)散管收縮角度的增大而呈現(xiàn)增大且趨于平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，約為0.143 m處出現(xiàn)最小值。

2.2 不同液體進(jìn)口直徑D1條件下分布情況

取D1分別為?9 mm、?10 mm和?12.5 mm的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖3可知，當(dāng)水流到達(dá)氣流入口位置附近前，流體速度在約為0.041 m處達(dá)到第一個(gè)峰值，隨后急劇下降；而當(dāng)?shù)竭_(dá)喉管入口約為0.143 m之前的0.12 m位置處時(shí)，速度又急劇上升，并在約為0.143 m處達(dá)到峰值，隨后隨著擴(kuò)散管而發(fā)生速度擴(kuò)散。壓力分布上，不同液體進(jìn)口直徑下的分布趨勢(shì)較為一致。呈現(xiàn)先降低，并在約為0.06 m處到0.12 m位置之間呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，隨之，急劇降低，并在約為0.143 m處呈現(xiàn)最低值，隨之又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在出口處壓力趨于一致，因?yàn)槌隹趬毫Υ嬖诒硥骸?/p>

圖3 不同D1條件下中心軸向位置上的速度和壓力分布

2.3 不同喉管長(zhǎng)度l3分布情況

取l3分別為19.5 mm、34.5 mm和49.5 mm的模型，對(duì)射流流體分布情況進(jìn)行分析。由圖4可知，隨著喉管長(zhǎng)度的增大，在流體到達(dá)喉管入口之前的一段范圍內(nèi)，速度大小分布接近于一致，隨后逐漸增大，并分別在喉管入口處達(dá)到較大值，隨之又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。壓力分布上，分布趨勢(shì)較為一致，并呈現(xiàn)先下降到最低點(diǎn)、進(jìn)而上升的趨勢(shì)，但總體上，壓力均小于相應(yīng)入口壓力。

圖4 不同l3下中心軸向位置上的速度和壓力分布

3 結(jié)論

采用Fluent軟件，建立得到了曝氣頭分析內(nèi)部流場(chǎng)的三維有限元模型。采用單因素法，利用Fluent軟件分析了不同機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸下的模型，得到了對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸下流體域的速度和壓力分布情況。綜合來看，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可選用初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為：入口直徑D1為?12.5 mm，2α為10°，l3為34.5 mm。