自吸式三支管射流曝气器数值模拟及试验研究

摘要

曝气充氧是污水生化处理的核心过程，也是污水处理系统的能耗大项。曝气器作为曝气工艺系统的核心，其结构及充氧效果直接影响了曝气工艺系统的整体性能。相对其他类型曝气器，射流曝气器具有结构简单、能耗低、传质高效及掺混充分等特点，能够很好的满足曝气工艺系统对曝气器的要求。但国内外现有射流曝气器的动力效率普遍较低，限制了射流曝气的进一步推广应用。因此，本文围绕污水处理领域对高效率射流曝气器的巨大需求，开展了自吸式三支管射流曝气器数值模拟及试验研究。
　　本文的主要研究内容如下:
　　1.提出了一种自吸式三支管射流曝气器，其最重要的创新点是:在传统射流曝气器混合管末端设置三个辐射状分布的支管取代普通的扩散管;其益处为:液气射流经分流锥头切割分流后，形成三股分离的混合射流分别进入三个辐射状分布的支管，可以有效避免气泡并聚融合为大气泡逸出水体，从而提高吸入空气利用率;同时辐射状分布的支管可增大曝气作业面积并充分搅动水体，从而进一步提高整体充氧效果，达到较高的动力效率。
　　2.采用基于VOF模型的CFD数值模拟方法对自吸式三支管射流曝气器的工作过程进行了非稳态分析，研究得到了自吸式三支管射流曝气器工作过程中内部的相分布、两相流流速及压力分布变化。数值模拟结果表明:自吸式三支管射流曝气器的液气混合作用主要发生于支管段，在此段湍流紊动剧烈且会形成漩涡流动，使液气两相混合均匀。通过将试验测试结果与数值模拟结果进行对比发现:工作水入口处的模拟压力值与实测压力值相比误差为2.2％，模拟速度值与实测速度值（通过流量换算得到）相比误差为3.95％;这表明数值模拟结果正确可靠。
　　3.采用正交试验方法对影响自吸式三支管射流曝气器性能的各结构参数进行了试验研究，获得了低功耗工况下曝气器各结构参数与理论动力效率的关系，结果表明:①自吸式三支管射流曝气器各个结构参数对理论动力效率Ep的影响程度高低顺序为:喉管—喷嘴面积比m→吸气室—喷嘴面积比n→喉管长径比k→分流锥头锥角β→喉管—支管夹角α，其中m、n影响作用高度显著;②试验条件下最优结构参数组合是:m=2.56，n=11.56，k=4，α=40°，β=40°，对应的理论动力效率Ep=2.34kgO2/（kw·h）;③面积比m与n之间存在较显著的交互作用，其显著性程度低于两者各自作用的水平，但高于k、β、α的独立作用水平;m、k之间存在交互作用，其交互作用水平与β接近。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 曝气装置概述

1．2．1 曝气装置分类

1．2．2 射流曝气机理

1．2．3 射流曝气器的研究进展

1．2．4 射流曝气器分类

1．2．5 射流曝气的优缺点分析

1．3 论文的主要研究内容

1．4 本论文的技术路线及创新点

1．5 本章小结

第二章 传质理论及自吸式三支管射流曝气器的提出

2．1 传质概述

2．1．1 传质理论基本概念

2．1．2 菲克(Fick)定律

2．1．3 气液传质模型

2．2 射流曝气过程中氧转移的影响因素分析

2．2．1 气泡或水滴的直径对氧传质的影响

2．2．2 温度和压力对水中氧的溶解度的影响

2．2．3 气泡的形成与氧吸收率的关系

2．2．4 亏氧量与吸氧率的关系

2．2．5 液体的紊动与氧吸收率的关系

2．3 射流曝气器的内部流态及流场特性分析

2．3．1 气液相对运动段

2．3．2 液滴运动段

2．3．3 泡沫流运动段

2．4 自吸式三支管射流曝气器结构创新及工作原理

2．4．1 自吸式三支管射流曝气器结构创新

2．4．2 自吸式三支管射流曝气器工作原理

2．5 本章小结

第三章 自吸式三支管射流曝气器内气液两相流数值模拟及分析

3．1 气液两相流数值模拟概述

3．1．1 气液两相流基本概念及流型识别

3．1．2 气液两相流数值模拟主要困难及关键问题

3．2 FLUENT概述及多相流模型

3．2．1 FLUENT概述

3．2．2 本论文数值模拟两相流模型的选取

3．3 气液两相流数值模拟在射流曝气器上的应用

3．4 自吸式三支管射流曝气器数值模拟方法

3．4．1 物理模型

3．4．2 计算网格划分

3．4．3 数学模型

3．4．4 数值模拟方法

3．5 自吸式三支管射流曝气器数值模拟结果分析及试验对比分析

3．5．1 自吸作用发生机理分析

3．5．2 射流曝气器内部气液两相混合过程分析

3．5．3 支管内液气混合作用分析

3．5．4 数值模拟的试验对比分析

3．5．5 数值模拟结论

3．6 本章小结

第四章 基于正交试验的自吸式三支管射流曝气器的参数研究

4．1 试验目的

4．2 试验方案

4．3 试验设施及试验步骤

4．4 试验数据处理方法

4．4．1 氧总转移系数

4．4．2 射流曝气器充氧能力

4．4．3 射流曝气器理论动力效率

4．5 正交试验设计

4．5．1 正交试验介绍

4．5．2 正交试验指标、因素及水平的确定

4．5．3 试验方案的确定

4．6 试验结果分析

4．6．1 影响因素的重要性排序及交互作用分析

4．6．2 喉管—喷嘴面积比对曝气充氧效果的影响

4．6．3 吸气室—喷嘴面积比对曝气充氧效果的影响

4．6．4 喉管长径比对曝气充氧效果的影响

4．6．5 喉管—支管夹角对曝气充氧效果的影响

4．6．6 分流锥头锥角对曝气充氧效果的影响

4．7 正交试验结论

4．8 与普通射流曝气器的对比分析

4．9 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果