四喷嘴射流曝气器性能的数值模拟与实验研究

摘要

射流曝气是一种高效传质与掺混的曝气方式，而射流曝气器是射流曝气污水处理系统的关键设备，其性能对污水处理效果有着直接影响。自上世纪以来，射流曝气器得到了广泛研究，其中包括射流曝气器局部的改进、参数研究等，最近又引入了数值模拟技术。自吸式单级射流曝气器构造简单、运行可靠，工程应用广泛，如何提高其流量比和效率一直是研究的重点。迄今，对射流曝气器性能的研究方法实质是半经验、半理论的，而数值模拟可以在无法直接测量射流曝气器内部流动参数的情况下，从理论上预测其流场，进而结合实验研究，为射流曝气器设计提供理论预测、验证和设计依据。
　　 最近，关于单喷嘴射流曝气器的二维数值模拟工作较多，而对于多喷嘴射流曝气器内多相流的流动结构这一重要问题的研究尚不足，特别是对射流曝气器性能的三维数值模拟研究。因此，本文应用FLUENT对四喷嘴射流曝气器在不同工况下的引射空气性能进行三维数值模拟，分析了射流曝气器内的场分布特性与气液两相流动结构，预测相含量和压力变化等参数，从而为探讨如何进一步提高射流曝气器性能提供理论依据；同时建立射流曝气器性能实验台，对四喷嘴射流曝气器的性能进行实验研究。
　　 对射流曝气器内两相混合进行理论分析和数值模拟的具体研究内容包括：
　　 ①在对射流曝气器工作过程中，其内部两相流混合过程进行理论分析的基础上，结合前人的研究成果，针对射流曝气器内气、液两相流体的流动过程建立物理模型和数学模型；
　　 ②使用FLUENT进行数值计算，对计算结果进行后处理，将两相流体的压力、速度、含气率等重要参数分别绘制成等值分布图和曲线图，用于分析研究不同工况下射流曝气器内流场分布与两相流动结构。
　　 对射流曝气器性能进行实验研究的具体研究内容包括：
　　 ①将单喷嘴射流曝气器实验与前人的研究成果进行对比，对射流曝气器性能实验台进行误差分析，验证实验台的可靠性；
　　 ②对四喷嘴射流曝气器性能的实验结果进行分析，并与相关的数值模拟结果进行对比分析。
　　 研究结果表明，本文提出的四喷嘴短喉管射流曝气器对局部结构与参数进行了改进和设计，可在污水中均匀混入更多的空气，满足较高的背压要求，性能较高，能量损失较少，两相流动结构稳定。同时研究还表明，流体之间的相互作用，主要发生在喉管入口段，在这段区域内，喷射流体与引射流体两相流混合状态，流体的压力、速度、含气率等状态参数的变化较大，进入到喉管的中后段，两相流动趋于稳定；工况的变化对射流曝气器性能的影响较大。本文的数值模拟结果和实验结果吻合较好，因此，本文的数值模拟方法可为射流曝气器的设计提供参考。本文的四喷嘴射流曝气器在工况4下工作：工作水量为1.25m3/h，工作水压为0.400MPa，背压0.040MPa；性能参数为：压力比为0.100，流量比为3.20，效率为36％；而单喷嘴结构在相似工况下的流量比仅为1左右，效率不超过20％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

1绪论

1.1问题的提出及研究的目的意义

1.2射流曝气技术综述

1.3.1工业废水曝气处理概述

1.3.2射流曝气机理

1.3.3射流曝气技术的研究现状

1.3.4射流曝气器的分类

1.3射流曝气器性能与内部流动之间关系的研究

1.3.1射流曝气器性能的研究

1.3.2射流曝气器内部流动的研究

1.3.3气液两相流的数值模拟概述

1.3.4射流曝气器内气液两相流数值模拟的主要困难与关键问题

1.4课题研究目的与内容

2四喷嘴射流曝气器内气液两相流的数值模拟方法

2.1物理模型及计算网格的生成

2.1.1物理模型

2.1.2网格的生成

2.2数学模型

2.2.1两相流局部瞬时方程

2.2.2欧拉平均化的两相流控制方程及相间作用表达式

2.2.3表面张力引起的界面源项Φi

2.2.4方程组的封闭问题与简化假设

2.2.5湍流模型

2.2.6边界条件

2.2.7气液两相流双流体模型控制方程组

2.3 FLUENT数值求解方法

2.3.1输入网格和检查网格

2.3.2选择求解器

2.3.3定义基本模型和流体物性

2.3.4控制方程与离散及设定亚松驰因子

2.3.5流场初始化

2.3.6迭代计算

2.4本章小结

3四喷嘴射流曝气器的数值模拟结果与分析

3.1性能的数值模拟结果与分析

3.2流场的数值模拟结果与分析

3.2.1工况1～工况3下压力分布

3.2.2工况1～工况3下流动结构

3.2.3工况1～工况3下模拟结果之间差异的分析

3.2.4工况4～工况6下压力分布

3.2.5工况4～工况6下的流动结构

3.2.6工况4～工况6下模拟结果之间差异的分析

3.3本章小结

4单喷嘴和四喷嘴射流曝气器性能的实验研究

4.1实验系统及实验方法

4.2实验结果与分析

4.2.1单喷嘴实验结果与分析

4.2.2四喷嘴实验结果与分析

4.2.3四喷嘴性能的实验结果与数值模拟结果对比

4.3本章小结

5结论与建议

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文