基于Fluent的射流曝气头关键结构参数仿真分析

李东方，黄增阳，许中琛，吴腾飞，祝惠一，姜文雍，陈恩亮

(1.衢州职业技术学院 机电工程学院，浙江 衢州 324000；2.衢州市质量技术监督检测中心，浙江 衢州 324000)

0 引言

曝气装置是使空气同水能够强烈接触发生气液两相交换传递的一种装备。能把有机物废水中挥发性物质通过溶氧带出到自然空气中，这就是曝气所要达到的目的。简而言之，曝气就是起到促进气液相之间物质交换作用。利用曝气方式，能把氧在气液相间进行传递或交换，实现氧从气相到液相进行传质。四川大学的赵梁[1]等，认为发生器中影响流场分布的是机械结构和流动工艺参数。分析了气泡的运动和流体旋转过程。研究了装置的空化机理，为机械结构设计提供了可靠的方法。浙江大学的杨洋[2]，把曝气工程和实际的处理工艺相结合，采用CFD(Computered Fluid Dynamic)研究方法对曝气过程进行了研究。探究了两相流体模型的仿真结果。三峡大学的陈从平[3]等，分析了曝气装置的机械结构对性能的作用情况。对不同机械结构条件下的流体分布情况进行了仿真研究。为结构的设计优化提供了一些参考数据。综上所述，为了达到更好的空化效果，有必要对曝气头结构设计所涉及到的流体动力学(Fluid Dynamic)等相关理论进行进一步地分析和研究。

1 仿真分析模型建立

一般的，曝气头[4]主要组成部分有喷嘴、进气管、混合气管及扩散管等。微气泡发生器曝气头结构简化示图如图1(a)所示，D1～D5、l1～l5为主要尺寸，2α为扩散管收缩角。

1.1 几何模型简化、流体域建立及网格划分

在实际计算过程中，对几何模型进行简化处理，可以减轻计算强度。根据分析模型的几何、初始条件的对称性，简化成二分之一模型。利用inventor软件进行3D几何建模，并对几何模型进行简化，直接进行流体域3D建模，然后将几何3D模型以STP格式导出，再导入到Fluent中，在DM模块进行体切分处理，最终获得处理后的完整3D计算域模型。把上述生成流体域导入到Mesh模块，进行网格划分。根据仿真分析的计算残差对网格进行细化和调整，通过调整，最终模型单元数量在220万左右。网格划分后模型，如图1(b)所示。

1.2 材料特性设置和边界条件设定、求解设置

曝气头的入口为液态水，顶部为空气进口。在Material界面设置两种材料常温下的物理特性[3]。设置主相、第二相的特性。液体进口处采用velocity-inlet边界，大小由进口流量和结构尺寸确定。气体进口处采用pressure-inlet边界。液气混合出口采用pressure-outlet边界。湍流强度均设置为0.05。对几何对称面采用Symmetry边界，其他为wall边界。数值模型采用3D双精度、多相流为VOF、标准可视化k-ε湍流模型和标准壁面函数，水气两相之间表面张力系数取为0.073，同时考虑重力影响，在Z方向设置重力加速度为-9.81 m·s-2，采用隐藏刚体力。初始化后，设求解步数初步为10 000步。

图1 曝气头结构和流体域二分之一三维网格模型

2 仿真结果分析

采用单因素法，对影响曝气头射流流体分布情况进行分析。没有特殊说明情况下，所分析模型，其机械结构参数分别是D1为ø12.5 mm，D2为ø13.5 mm，D3为ø13.5 mm，D4为ø40 mm，D5为ø44 mm，2α为10°，l1为39.5 mm，l2为103.7 mm，l3为34.5 mm，l4为75 mm，l5为66 mm，l6为56.8 mm；其工艺参数分别取入口流量Q1为12 m3·h-1，入口压力Pi2为0.1 MPa及出口背压Po3为500 Pa(即出口为大气状态)。通过后处理，分别提取曝气头中心轴向位置(X)上的流体运动速度和压力分布数据，绘制成曲线图。

2.1 不同出口扩散管收缩角2α条件下分布情况

取2α分别为8°、9°和10°的模型，对射流流体分布情况进行分析。由图2可知，在水流和气流到达喉管入口处之前，流体速度几乎一致，在轴向位置约为0.143 m处，发生较明显变化，而且随着出口扩散管收缩角度的增大而呈现急剧减小态势。压力分布上，随着出口扩散管收缩角度的增大而呈现增大且趋于平稳态势，约为0.143 m处出现最小值。

2.2 不同液体进口直径D1条件下分布情况

取D1分别为ø9 mm、ø10 mm和ø12.5 mm的模型，对射流流体分布情况进行分析。由图3可知，当水流到达气流入口位置附近前，流体速度在约为0.041 m处达到第一个峰值，随后急剧下降；而当到达喉管入口约为0.143 m之前的0.12 m位置处时，速度又急剧上升，并在约为0.143 m处达到峰值，随后随着扩散管而发生速度扩散。压力分布上，不同液体进口直径下的分布趋势较为一致。呈现先降低，并在约为0.06 m处到0.12 m位置之间呈现稳定状态，随之，急剧降低，并在约为0.143 m处呈现最低值，随之又呈现上升趋势，并在出口处压力趋于一致，因为出口压力存在背压。

图3 不同D1条件下中心轴向位置上的速度和压力分布

2.3 不同喉管长度l3分布情况

取l3分别为19.5 mm、34.5 mm和49.5 mm的模型，对射流流体分布情况进行分析。由图4可知，随着喉管长度的增大，在流体到达喉管入口之前的一段范围内，速度大小分布接近于一致，随后逐渐增大，并分别在喉管入口处达到较大值，随之又呈现下降趋势。压力分布上，分布趋势较为一致，并呈现先下降到最低点、进而上升的趋势，但总体上，压力均小于相应入口压力。

图4 不同l3下中心轴向位置上的速度和压力分布

3 结论

采用Fluent软件，建立得到了曝气头分析内部流场的三维有限元模型。采用单因素法，利用Fluent软件分析了不同机械结构尺寸下的模型，得到了对应结构尺寸下流体域的速度和压力分布情况。综合来看，在进行结构优化设计时，可选用初始结构参数为：入口直径D1为ø12.5 mm，2α为10°，l3为34.5 mm。