微孔曝气器膜片最优开孔数的数值模拟.pdf

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关键词：: 微孔曝气器膜片最优开孔数数值模拟

资源描述：: 檄孔曝气器膜片最优开孔数的数值模拟
口于江忠口单继宏口孙毅口盛礼俊2
1.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部浙江省重点实验室杭州310032
2.杭州恒达环保实业有限公司杭州311217
摘要:微孔曝气器作为污水处理曝气系统的核心设备,其性能对曝气池中气液两相分布及流动規律、污水处理能耗
的彩响至关重要。运用 FLUENT软件对曝气池内部流态进行了数值模拟,在相同膜片直径、曝气强度、不同孔眼数量情
下,对比了曝气池内气相体积分数、气液两相流场速度以及流动规律。结果表明,在模拟工况下,孔眼数量为15时,曝气效
果最好。
关键词:气池两相流数值模拟 FLUENT
中图分类号:THI22;X703
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2014)01-0010-0
微孔曝气器是活性污泥污水处理曝气系统的核心
该计算方法的控制方程组如下
设备,活性污泥系统浄化效果很大程度上取决于曝气
气相连续方程:
器的性能。气相体积分数、气液炳相速度流场、湍流
强度是反应曝气效率的主要因素,在微孔曝气器膜片
d(apa2+V(r,2,U)->直径、曝气强度一定的情况下,开孔数量对活性污泥净
气相动量方程
化效果起十分重要的作用。本文从以上几个方面对微d(rau+vir[pUa8Ua-以a(VU(VU。)の)]1
孔膜片开孔数量进行模拟分析,通过对比分析,得出合
理的开孔数量,从而为微孔曝气器的优化设计提供
.(b-7p)+>c(.)+F> (mumal)(3)
定的理论依据
气相能量方程
1气液两相流数学模型的建立
a(rn)+V[r,(p.UH。-A。マ7)]
随着计算机及实验测量技术的迅速发展,两相流
动力学迅速发展成流体力学的一门分支学科,使用数
(4
值模拟的方法研究两相流流动问题越来越显得重要和
式(2)~(4)中,当a换成B时为液相方程。
方便。
pe=pd(7a, po)
(5)
两相流模型计算方法就是内部各项有滑移算法
(6
( Inter Phase Slip Algorithm IPSA)2,其一般标量的扩散
气液两相体积分数的控制方程:
方程如下:
yatys=l
a rapapa)+9 [r (p4u8p-re7)J
压力控制方程
Pe=Pp-p
-r S t 2> C,e( 92)+-> (riup -,
式中:H。为静态的热焓,H=ha(7);h。为气相的热焓,表
式中:下标gB分别为气、液两相;V为相总数,N=2;
示气相所具有的能量中热力状态的能量p为压强,N/
为相体积分数a为密度,kg/m3;t为时间,s:为流体
m3;B为体积力,N;T为温度;y为重度,N/mnル为动力
黏滯系数,Nm;为热传导系数;F为气液两相间的
速度,m/s;厂为阻力系数;S为标量的源项;c。为a与
动量交换;d为气泡直径。
B相之间的阻力参数;V为梯度算子;为气液两相的
标量
方程中c表示a与B相之间的阻力参数
注:①e(q-qp)表示气液两相的标量ゃ扩散值。②x=0,c-0,c=c,因
此,内部各相总的传输量为零。(③(mPs-m9a)项,当有传质存在时,me
d papal Uru
9)
表示从β进人a相的传质系数
C是阻力系数,随雷诺数Re变化
浙江省重大科技专项计划项目(编号:2012C13006-1)
Cp=Cp(Re), Re
(10)
收稿日期:2013年7月
204/1
机械制造52卷第53期
专题
在层流区:0≤Re≤0.2,C。符合 Storks公式:CD=扩大,因此气相分布区域也随之增大。但孔眼数量为
24/Re;
15和17的工况下,气相分布情况接近,但液相中大气
在过渡区:0.2≤Re≤500-1000,C与Re的关系:泡的含量明显增多,这说明在孔眼数量为17时,气泡
C=24/[Re(1+0.15Re0.687)];
的聚合现象逐渐增强,不利于曝气效率的提高。
在紊流区:500~1000≤Re≤1×105~2x×10°,C-=0.44。
7孔、9孔、1孔、13孔、15孔、17孔混合相速度云
2曝气池物理模型建立及内部仿真计算结果
图见图3。从图3可以看出,在微孔曝气过程中,随着
气泡的上升,水在气体的带动下在池内形成环流,同
分析
时,气泡在水流的带动下,也在池内形成了环流,使气
模拟的曝气系统是鼓风曝气系统,采用微孔膜曝液两相充分混合,随着孔眼数量的增多,环流程度也越
气器。空压机送出的压缩空气通过管道系统送至安装来越明显,两者的混合程度也越来越强烈。这是因为随
在曝气池池底的微孔膜曝气器,空气以微小气泡的形着孔眼数量的増加,产生的气泡数量増多,气泡的聚合
式从其膜片上逸出,并在曝气池内扩散,使气泡中的氧现象越明显,带动区域范围也在逐渐増大,因此环流越
转移到污水中;气泡在曝气池中的强烈扩散、搅动,使来越明显。但当孔眼数量增至17时,尽管带动区域有
污水处于刷烈混合、搅拌状态。但微孔膜片上的孔较
多,气泡易发生聚合现象,起不到用微孔气泡提高氧转
移率的作用,鉴于此情况,拟通过模拟微孔膜片上不同
孔眼数量所引起的曝气池内气液两相流场、气液两相
流速度场及湍动能分布变化进行对比分析,确定最
优的孔眼数量,以提高曝气效率,降低污水处理能耗。
2.1物理模型
所模拟的曝气池宽300mm、高600mm,微孔曝气
器膜片直径100mm。为简化模型,直接在池底部开孔
7孔
9孔
11孔
作为气体入口,池上部为出口。利用 FLUENT提供的
非稳态VOF模型及标准k-湍流模型进行模拟。池
中水是静止状态,从底部供气,在保证气体流速时,模
拟曝气池中水流的流动规律。曝气中,孔径dω2mm,
等间距均匀分布,每个孔口空气流速为0.05ms。本文
模拟的曝气器微孔膜片开孔数分别为7、9、11、13、15
17,如图1所示。
13孔
15孔
17孔
▲图2气相体积分数云图
7孔
9孔
11孔13孔15孔
17孔
▲图1孔眼分布图
2.2数值模拟计算结果分析
采用四边形结构网格,将水设为主相,空气设为次
7孔
孔
11孔
相,孔口处设为气相速度入口,池顶设为压力出口,
对曝气池内气液体两相流流动进行模拟,并在初始时
捕捉到有效水深的位置在500mm高度处
7孔、9孔、11孔、13孔、15孔、17孔气相体积分数
云图见图2。从图2可以看出,在模拟的曝气池中及相
同的曝气强度下,随着曝气孔眼数量的增加,气相分布
区域逐渐增大,这是由于随着孔眼数量的増加,气体的
13孔
15孔
17孔
初始分布范围逐渐增大,这使得气液两相的接触面积
▲图3气液混合相速度矢量云图
月、机械制造52卷第593期
2014/1

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