上流式水轮曝气机CFD仿真分析

曾梦玮，薛波，林华，岳婷



上流式水轮曝气机CFD仿真分析

曾梦玮1，薛波2，林华1，岳婷1

（1.四川省机械研究设计院，四川 成都 610063；2.方圆标志认证集团四川有限公司，四川 成都 610014）

为保证曝气机的性能满足设计要求，对曝气机水力模型进行三维建模，基于-多相湍流模型，通过对扩散过程、传质过程和气液两相流理论的分析，利用ANSYS CFX有限元仿真软件，对曝气机的内部流场进行数值模拟。得到曝气机内部流场的速度分布图和压力分布图，计算了曝气机作用下的水体含氧量及曝气机效率两项主要技术指标。结果表明，利用计算流体动力学进行三维多相湍流数值模拟得到的两项技术指标均能达到设计需求，为曝气机优化设计提供了参考和指导。

曝气机；多相湍流；水体含氧量；曝气机效率

随着科技发展及人口增加，人类社会对水资源的压力不断增大，污水治理成为世界各国关注的问题。近年来对河流污水处理普遍采用的方法是通过机械设备往水体中曝气，也就是强制充入纯氧或空气，使水体不断与氧气或空气接触，提高水体中的溶解氧的比例。曝气机是一种应用于污水处理系统中的节能环保新型设备，通过曝气机的作用，增加空气融入，加快水中有机物的分解，增强河流的自身净化水平，降低藻类植物以及厌氧菌在水体中的繁殖，达到去除河流黑臭的效果。

本次分析以自主设计的上流式水轮曝气机为研究对象，通过理论分析和仿真模拟相结合的方法，研究在曝气机作用下水流的含氧量及曝气机的效率是否达到设计需求。

1 曝气机结构原理

现有的普通水轮机结构如图1所示。

图1 普通水轮机结构

本项目采用的上流式水轮曝气机结构如图2所示，是在现有水轮机结构的基础上，取消水轮机尾水管，使其采用垂直向上流道和接近尾水表面的开放出流。这种水轮机结构具有以下优点：采用向上开放出流，尾水直接接触大气，增加水体中的空气融入；转轮出来的剩余的动能使得尾水与大气发生剧烈的搅拌，从而改善出口水流的通气状况；建设和维护的时间和成本降低。

2 曝气过程相关理论

2.1 扩散过程

扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，物质分子从浓度较高的一侧向着较低的一侧扩散、转移。扩散过程中的基本规律可以用菲克定律[1]概括，即物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系：

式中：νd为扩散速度；DL为扩散系数；C为物质浓度；x为开始过程的距离；dC/dx为浓度的梯度。

2.2 传质过程

曝气时气泡在上浮过程中使氧气不断进入污水，可采用双膜理论解释其传质过程，则液膜内氧传递的微分方程和积分形式为[2]：

（1）增大曝气量来增大气液接触面积；

（2）减小气泡尺寸；

（3）加强液相主体紊流程度，降低液膜厚度，加速气液面的更新；

（4）增加曝气池深度来增大气液接触时间和面积，从而提高K值；

（5）提高气相中的氧分，如采用纯氧曝气，以避免水温过高来提高C值。

2.3 气液两相流基本理论

（1）流量

式中：为质量流量，kg/h；G为液相质量流量，kg/h；G为气相质量流量，kg/h；为体积流量，m3/h；Q为液相体积流量，m3/h；Q为气相体积流量，m3/h。

（2）流速

式中：为质量流速，kg/(h·m2)；1为管道截面积，m2；A为气相流通面积，m2；A为液相的流通面积，m2；W为气相的平均速度，kg/(h·m2)；W为液相的平均速度，kg/(h·m2)。

假定管道全部流通面积被两相混合物中的某一相单独占据时的气相和液相的真实流速分别为：

（3）滑差和滑动比

在管道中气相和液相速度一般是不相等的，两者之间的差值即为滑差：

滑动比为气液相速度比值，即：

（4）含气率

质量含气率为：

体积含气率为：

截面含气率为：

将Q＝AW、Q＝AW、G＝AWρ、G＝AWρ[3]分别代入式（11）和式（12），联立解得三种含气率之间的关系为：

式中：ρ、ρ分别为气体密度与液体密度。

3 有限元仿真分析

3.1 三维建模

通过三维建模软件对曝气机的水体部分进行建模，结果如图3所示，水体图包含两个部分，其中外侧为静止流体部分，中部为叶轮旋转水体部分。

图3 水体流道图

3.2 仿真流程

使用ANSYS V17.0软件中的流体处理模块CFX进行仿真求解和数据提取。

3.2.1 网格划分

网格划分均采用四面体网格（Tetrahedrons Method）方式，划分精度选取最高级（fine），划分结果如图4所示，产生节点360865个、单元1965218个。

图4 网格划分结果

3.2.2 进口边界设置

进口与出口边界设置如图5所示。

图5 流道进出口边界设置

3.2.3 流场分析设置

将划分网格好的模型导入CFX-Pre中，如图6所示。

3.2.4 定义多相的特性

定义第一相水和第二相空气，本次分析定义为不可压缩的液态水，密度997.0 kg/m³、动力粘性8.899E-4 kg/(m·s)。同时定义空气与水之间的交互作用。

图6 导入模型到CFX中

3.2.5 公式编辑

本曝气机主要考核的技术指标为两项：

（1）向水体充入的含氧量不低于1～2 kg/（kW·h）；

（2）曝气机效率不低于80%。

因此，本次仿真分析将含氧量与效率作为监控的目标。

水泵叶轮效率为：

式中：为水泵叶轮效率；P为有效功率；为轴功率。

设扬程为myH、轴功率为myPower、效率为myEfficient，则可得到并输入以下公式：

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

本次叶轮的旋转轴为轴，因此提取轴方向叶轮表面的扭矩。

输入其余的边界条件，根据曝气机工况参数，流量0.186 m³/s、转速650 r/min，选择SST湍流模型进行计算。

3.3 结果分析

采用CFX-Post(Results)软件对计算结果进行提取分析。

3.3.1 总体流场分布

流场速度（3D流线）分布如图7所示，当水流进入叶轮区域后速度明显增大，叶轮附近平均流速在5～11 m/s、最大值为15.2 m/s。选取其中一个横截面观察其压力分布如图8所示，可以看出叶轮周围的压力明显大于其余部分。

通过图7中的3D流线分布可知，液体的高速区域位于转轮气液混合区域、导叶区域和出口区域，液体流速由转轮水口区至转轮出口区逐渐增加，在出口达到最大值，之后开始递减。通过图8可以看出，转轮区域处于高压，转轮区域内压力从进口往出口逐渐增加，在叶轮出口达到最大值，之后逐渐降低。

图7 流场速度分布

转轮中心区域速度和压力都较低，且低压区域一直沿着叶片根部往出口延伸。这主要是因为转轮中心区域内流体为气体，跟随曝气机一起旋转对液体做功，在离心力作用下外界气体沿着曝气机吸入转轮内，因此转轮内整个区域压力为负压。

3.3.2 空气在水中的溶解度

空气对水属于难溶气体，它在水中的传质速率受液膜阻力控制，此时空气的传质速率可表示为[4]：

＝K(*－)＝KΔ（19）

式中：为空气传质速率，kg/(m2·h)；K为液相总传质系数，m3/(m2·h)；*和分别为空气在水中的平衡浓度和实际浓度，kg/m3。

空气在水中的溶解平衡用亨利定律表示为：

＝Kp（20）

式中：为空气在水中的溶解度，L/m3；K为不同温度下空气在水中的溶解度系数，L/(kPa·m3)；为溶液上方的空气平衡分压，kPa

读取叶轮附近的平均压强为12980 Pa，温度设为20℃，则K值为0.158，计算得此时空气在水中的平衡溶解量为22.40 ml/L。换算成含氧量汽耗率为2.41 kg/(kW·h)。已经超过设计所需的2 kg/(kW·h)，说明含氧量这项指标满足设计要求。

图8 不同方向截面压力分布图

3.3.3 效率曲线

通过图9所示的效率曲线可以看出，当效率曲线稳定后，其值为84.5%，已经超过设计所需的80%，证明了本曝气机达到了设计要求。

图9 效率曲线

4 结论

本文通过理论计算与有限元仿真相结合的方式，仿真了上流式水轮曝气机的工作情况，利用ANSYS－CFX软件，通过多相湍流模型，依据仿真结果得到了两相流场情况的变化规律，验证了本曝气机的实际工况效果，其两项指标均高于设计要求。本次仿真分析表明此上流式水轮曝气机能够达到增加水中含氧量，从而达到改善河道水质的目的。

[1]王一平，黄伟飞. 02BG复叶式节能曝气机的性能及其应用[J]. 环境工程，1999，17（6）：25-27.

[2]孙从军，张明旭. 河流曝气技术在河流污染治理中的应用[J].环境保护，2001（4）：12-16.

[3]周云龙，孙斌，陈飞.气液两相流型智能识别理论及方法[M].北京：科学出版社，2007.

[4]程文，宋策，周孝德. 曝气池中气液两相流的数值模拟与实验研究[J]. 水利学报，2001（12）：32-34.

[5]兰林强，罗伟林. 基于参数化建模和CFD数值模拟的船舶球鼻艏优化设计[J]. 机电工程，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

曾梦玮（1989－），女，四川自贡人，本科，工程师，主要研究方向为机械设计制造及计算机辅助设计。