污水处理设备增氧推流装置参数优化研究

高来顺，虞波，闵广山

（扬州澄露环境工程有限公司，江苏 扬州 225000）

作为污水处理絮凝物，活性污泥里存在一定的好氧微生物，可以有效吸附漂浮物，使有害物质得到有效降解，以及部分有机物的氧化。但活性污泥仅在自然条件下难以有效分解有机物，为使微生物新陈代谢速度有所提高，使微生物分解能力有所加快，在该过程中需人工介入。可人工介入的过程为充氧曝气阶段，该阶段可以将纯氧或者空气充入，使污水和氧气充分接触，以增强微生物的分解能力。

在充氧曝气阶段，水下曝气机是核心单元，曝气机的功能是否得以有效发挥对该阶段的净化效果有重要影响，其中，射流速度等是影响曝气机工作效率的重要因素，因此，在研究污水处治技术时必须先对推流装置的推进效率进行研究。

1 叶梢间隙对推进效率的影响

以某增氧曝气机为研究背景，其所用为导管螺旋桨为大侧斜式。相比普通螺旋桨，该种导管螺旋桨有更大的推进效率，因为其导管内有较快的流体速度且压力较低，导管管壁在内外压力差的作用下会形成一定的附加压力，可使尾流有所减少，从而降低能量损失。此外，较小的叶梢间隙也可降低绕流损失。叶梢间隙结构见图1，以表示叶梢间隙，具体是指垂直于同一直径方向上导管和梢圆的距离。

图1 叶梢间隙示意图

螺旋桨的推进效率受到螺旋桨叶梢间隙和进水速度的影响。当导管螺旋桨处于水中时，固定进口速度和转速，改变叶梢间隙大小，可以得到随叶梢间隙的变化螺旋桨推力系数和扭矩系数的变化规律，同理，在固定叶梢间隙和转速时，可以得到随进速变化螺旋桨推力等的变化规律。

1.1 叶梢间隙仿真及优化

具体流程如图2所示。

图2 叶梢间隙优化示意图

基于所使用的导管类型螺旋桨，研究导管和螺旋桨的间隙。若叶梢间隙合适，将会使螺旋桨推进效率得到有效提高。所依托的螺旋桨有184mm的直径D，以螺旋桨直径按倍数递增的方式选取叶梢间隙，具体如表1所示。

表1 叶梢间隙数值（单位：mm）

所建立流体区域如图3所示。

图3 建立计算域

考虑到叶梢间隙的不同，所建立的计算域尺寸也会随之不同，因此，从小到大一次定义叶梢间隙。如方案一里螺旋桨长度为0.114m、187.65mm的静止区域直径和1.84mm的叶梢间隙。

1.2 叶梢间隙对推进效率的影响

所得结果如表2所示。

表2 不同间隙下螺旋桨推力系数和扭矩系数

从结果看，随着不断增加的叶梢间隙，螺旋桨推力系数不断减小，在1.84的叶梢间隙下，螺旋桨推力系数为0.894，在9.20的叶梢间隙下，螺旋桨推力系数为0.619，有较大的降低幅度，此外，扭矩系数也从0.0250降低到0.0170，也有较大的变化幅度。该结果与现有研究规律基本一致。进一步研究螺旋桨效率的变化规律可得出图4所示结果。

图4 螺旋桨效率与叶梢间隙的关系

螺旋桨推进效率随着不断增加的叶梢间隙而逐渐降低，在6mm以上的叶梢间隙下，曲线斜率不断降低，推进效率减少程度有所缓慢，并在最后保持平稳。

基于所得结论，在最优原则的基础上选择以最小间隙为最终方案，但考虑到实际制作时加工工艺和变形等因素的影响，建议以0.25-0.05R作为叶梢间隙的选取原则。从最优角度出发，选择以0.025R的叶梢间隙作为研究对象，文中0.025R等于2.3mm，此时有186.6mm的导管直径，螺旋桨有较高的工作效率。经仿真分析可以看出，在2.3mm的叶梢间隙下螺旋桨有0.884的推力系数和0.0259的扭矩系数，而原模型有8mm的螺旋桨间隙，有0.656的推力系数和0.0182的扭矩系数，两者相比之下，约有35%的推力提升和45%的扭矩提升，因此，改进后的结构比原有结构有更高的推进效率。后续将以改进后的结构作为结构方案。

基于所确定的螺旋桨间隙，以螺旋桨的某一推力系数为背景，研究螺旋桨此时的受力及其周边的流线和速度的分布状况。以0.4作为进速系数，可得在2.3mm的叶梢间隙下。

从结果看，在流体作用下螺旋桨桨叶出现一定的压力差时，将会有流体流入螺旋桨入流口，在螺旋桨桨叶导边处会出现最小速度，随着螺旋桨桨叶流体随边流去时，水流速度会出现一定的增长，并从螺旋桨出流口中射流，使流速有所增加。对螺旋桨外侧水压力做出进一步探讨可知，在螺旋桨桨叶导边位置有最小的速度和最大的压力值，在从导边流向随边时，速度不断增加，导致叶背处的压力有所降低以表现出低压区，且叶背和叶面会有压力差出现，进而表现出朝着螺旋桨轴向的推力。

在模拟时，螺旋桨推力随着不断变化的迭代步数所表现的规律为：在转动初期，螺旋桨推力很快到达最大值，而又较快下降，并在最后保持稳定。螺旋桨推力很快达到峰值的原因在于螺旋桨开始旋转时有较大的水流攻角。因此，在启动初期不宜使用高速启动，以避免有大攻角出现导致较大的旋转阻力，使得设备出现超负荷的情况。

2 桨叶盘面比和螺距比的影响

2.1 桨叶盘面比

为对螺旋桨桨叶盘面比和推进效率的联系进行研究，在固定螺旋桨叶梢间隙，仅变化桨叶盘面比的情况下，分析螺旋桨推进效率。本文使用的是大侧斜式螺旋桨，保持桨叶数目和叶梢间隙不变，在0.97～1.17的盘面比下开展研究。所得结果如图5所示。

图5 不同盘面比水动力性能曲线

从结果看，在固定螺旋桨叶梢间隙和叶片数量的情况下，推力系数随着不断增加的螺旋桨进速系数而不断减小，而推力系数和扭矩系数随着盘面比的不断增大会随之不断增加，但盘面比的增长会在一定程度影响效率，螺旋桨推进效率随着不断增大的盘面比而不断降低。

2.2 螺距

探讨导管螺旋桨桨叶在螺距比不同时的水动力性能。从文献[9]可以知道，一般以0.63～1.5作为螺旋桨螺距比，本文以0.415～1.4作为螺旋比取值范围。考虑到该处所用为导管桨，螺距比较大时应和导管相匹配，从现有经验上看，加长导管仅会对导管螺旋桨性能造成较小影响，从文献[10]可以知道，加长导管一般仅会有1%的影响，因此，在固定叶梢间隙的前提下，所用导管应和螺距比相匹配，此处导管性质通过导管长径比参数表征。所得结果分别如图6～8所示。

图6 不同螺距比推力系数曲线

图7 不同螺距比扭矩系数曲线

图8 不同螺距比效率曲线

可以看出，当进速系统一定时，随着不断增大的螺距比，推力系数不断增加。原因在于桨叶螺距角的增大会使桨叶和水流的接触攻角也随之增大，且桨叶前后速度差也会不断增大，从伯努利定律可以知道，压差的增加会增加螺旋桨推力。即在一定的进速系数下，螺距比的增加会在一定程度上增加推力系数。

可知，随着不断增大的螺距比，扭矩系数也随之增加，原因在于桨叶和流体攻角的增加会使得阻力也一并增加，而旋转阻力又会产生一定程度的扭矩，因此增大了扭矩系数。

固定螺距比的情况下，随着不断增加的进速系数，螺旋桨效率表现出先上升后降低的规律，在0.5的进速系数下，随着不断增加的螺距比，效率随着减小，在0.5以上进速系数下，随着不断增大的螺距比，每条曲线最高效率不断增加，当螺距比递增时，每条曲线的效率峰值也不断增加。

3 结语

我国污水排量逐年提高，污水治理已经不容忽视。水下曝气机是典型的污水处理设备，其工作原理是在污水中融入氧气，以使水中氧气含量得到提高，以氧化分解污水中有害物质，因此，曝气机溶氧效率的增强是重点所在。本文通过数值模拟仿真分析的方式探讨了增氧曝气机的推流装置各参数和推进效率的联系，以期为污水处理设备的优化设计提供参考。

（1）结构效率在2.3mm的叶梢间隙下最高。此外，需注意设备不宜高速启动，以避免产生超负荷。

（2）随着不断增大的盘面比，推力系数和扭矩系数均不断增大，但结构效率随着盘面比的增大会有所降低。

（3）随着螺距比的不断增加，推力系数和扭矩系数均不断增大，但螺旋桨效率则表现出先增后减的规律。