气相体积对气浮池内气泡分布影响的数值模拟

代腾跃，王安爽，李　梅*，王兆东，孙中训

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101；2.青岛汽车产业新城管理委员会，山东青岛266217）

气相体积对气浮池内气泡分布影响的数值模拟

代腾跃1，王安爽2，李梅1*，王兆东1，孙中训1

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南250101；2.青岛汽车产业新城管理委员会，山东青岛266217）

气浮池的数值模拟研究有助于深入了解气浮池内的流场和气泡在流场中的运动状态以及流场对固液的分离效果，从而优化气浮池运行条件。文章借助GAMBIT软件对建立气浮池的几何模型进行网格划分，设置初始边界条件和两相流的模型，运用FLUENT软件，分析了气浮池内的流场以及气相体积对池内气泡分布的影响。结果表明：随着气浮池进水流量的减少，气浮池内水流流态逐渐变好，当气浮池进水流量为0.5 m3/h时，池内水流流态较好；随着溶气压力的增大，气浮池中的气水比随之增大，但增大程度逐渐变缓；溶气压力为0.35～0.40 MPa时，释放的微气泡量可均布气浮池接触区和分离区，气泡与固体颗粒接触充分，固液分离效果较好，满足气浮工艺对气泡量的要求。

平流式气浮池；数值模拟；气相体积；气泡分布

0　引言

溶气气浮技术早在20世纪90年代，广泛应用于南非、德国、美国、日本、中国等许多国家，在给水和废水处理方面均取得了良好的效果［1-6］。溶气气浮工艺处理低温低浊水和高藻水，对除浊、除藻、除味效果尤为明显。气浮池的设计参数通常根据经验值确定，实验方法虽然能得到真实可靠的结果，但是往往受到模型尺寸、流场扰动、测量精度的限制，依靠经验和实验均不易使气浮池结构优化，进而影响出水效果［7-8］。气浮池中水体的运动状态，由于其复杂性和测量的困难，实验往往只能给出部分参数，如水量、水流速度和水流的停留时间，物理模型试验具有局限性［9］。随着计算机技术及相关理论的发展，数值模拟已经成为一个强有力的辅助手段［10］。借助计算机技术和数值模拟—Fluent软件［11-12］，通过Fluent软件对气浮池内的水流流动以及气相体积对气泡在池内的分布进行研究，可进一步了解流场以及气泡在流场中的运动状态，流场对固液的分离效果，从而提出合理的设计参数，可以优化气浮池的运行参数。

1　气浮池数值模型的构建

1.1气浮池的构造尺寸及模型的建立

采用平流式气浮池，设计产水量Q为5 m3/h，回流比R为10%，因此总水量为5.5 m3/h；选用TS型释放器，池内水力停留时间为15 min，水力负荷取33 m/h。设计的平流式气浮池尺寸取0.65 m× 0.15 m×1.45 m。将平流型气浮池简化成二维物理模型。GAMBIT软件具有几何建模能力，可划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。通过GAMBIT软件对建立的气浮池几何模型进行网格划分。网格划分情况如图1所示。

1.2控制方程

Fluent求解的基本控制方程包括连续性方程、能量方程和动量方程［13-14］。

图1　气浮池物理模型及网格图

（1）连续性方程

连续性方程的微分形式可由式（1）表示为

式中：Sm为源项；ρ为混合物密度，kg/m3；μi为质量平均速度，m/s。式（1）适用于可压流动和不可压流动。

（2）动量方程

在惯性坐标系中，i方向上的动量守恒方程由式（2）表示为

式中：τij为应力张量，；p为静压；gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力。

（3）能量方程

Fluent求解的能量方程由式（3）表示为式中：E为交界面上的能量源，它是由表面张力引起的。

1.3边界条件和初始条件的设定

原水经絮凝池后的进入气浮池，该入口设置为进水口1，把回流水的出口设成气浮池进水口2。气浮后出水通过底部集水管收集，该处设置成出水口1，气浮池顶与大气接触，该出口设置为出水口2。水的密度为998.2 kg/m3，动力黏度μ=0.001 Pa·s，加速度为9.8 m/s2。进水口1与出水口1均采用速度入口，具体参数如表1所示。进水口2边界设置为压力入口，相对压力设置为0.4 MPa，回流比设置为10%。出水口2边界采用压力方式出水，相对压力为0。

1.4求解器的设置

湍流模型选用标准的k-ε双方程模型，SIMPLE算法，动量、能量、湍动能和湍流耗散率的离散格式均取一阶迎风差分格式，根据上述设定，将残差控制在10-6数量级，进行迭代计算直至收敛。

1.5两相流模型的设置

进行“气含率对气浮池内气泡分布的影响”模拟时是为了研究气浮池中流场的情况，尤其是流场中微气泡的含量与分布状况。Mixture模型用于模拟各相有不同速度的多相流，也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流，选择Mixture模型进行数值模拟［15］。

2　模拟结果与分析

2.1流场模拟结果和分析

分别考察流量为0.4、0.5和0.6 m3/h时，气浮池内流场状况。各工况计算参数见表1。

进水口1与出水口1均采用速度入口，进水口2边界设置为压力入口，回流比设置为10%，相对压力设置为0.4 MPa。出水口2边界采用压力出口，相对压力为0。

（1）流量为0.6 m3/h

进水流量为0.6 m3/h，回流水量为0.06 m3/h时，气浮池中水流流向及流速大小，如图2所示。

表1　各工况计算参数

图2　流量为0.6 m3/h时，气浮池内流场情况图/（m·s-1）

从图2中可以看出气浮池中水流流向及流速大小，进水流量为0.6 m3/h，回流水量为0.06 m3/h时，进水口1与进水口2处水流速度均较大，两接触室内水流状态相对较好，水流沿断面的分布较均匀；第二接触室挡板后和集水管上方产生明显的回流的现象。

（2）流量为0.5 m3/h

进水流量为0.5 m3/h，回流水量为0.05 m3/h时，气浮池中水流流向及流速大小如图3所示。

由图2和3可知，流量为0.5 m3/h时，进水口1与进水口2处水流速度较小，水流紊动较弱；与进水流量为0.6 m3/h时相似，两接触室内水流状态相对较好，水流沿断面的分布均匀，挡板对气浮分离区水流状态产生有利的影响，促进气浮固液分离；第二接触室挡板后和集水管上方有水流回转现象；穿孔集水管处出水均匀，可降低出水抽吸现象，有利于絮体颗粒的气浮分离。

（3）流量为0.4 m3/h

进水流量为0.4 m3/h，回流水量为0.04 m3/h时，气浮池中水流流向及流速大小如图4所示。

进水口处水流速度进一步减小；与进水流量为0.5 m3/h时相比，由于水流速度小，接触室挡板后回流现象也消失，整体水流状态更好。但相应的水处理负荷减小，处理能力减弱。

2.2气泡分布模拟结果和分析

采用释气量测试装置对气浮系统的溶气系统进行测试，设定溶气水量为1 L，测定在不同压力条件下的释气量，计算出不同压力下的气含率，见表2。

图3　流量为0.5 m3/h时，气浮池内流场情况图/（m·s-1）

图4　流量为0.4 m3/h时，气浮池内流场情况图/（m·s-1）

表2　溶气压力与气含率对应表

从表2可看出，水中气含率随溶气压力的增加而增加。试验过程中，控制溶气压力在0.3～0.5 MPa，依据试验中所得出的气含率与压力的关系，针对气浮池回流水，相应的选取四种气含率工况0.04、0.05、0.06和0.07，对四种工况下气浮池内微气泡的分布情况进行了计算机数值模拟。气浮池边界条件做了如下设置：进水口1进水流量为0.5 m3/h，速度为0.173 m/s，回流比为10%；进水口2进水流量为0.05 m3/h，气泡直径为100 μm。四种不同工况的进口断面气含率分别为4%、5%、6%和7%的条件下，气浮池内气泡体积分数分布图，如图5所示。

图5　不同气含率条件下，气浮池内气泡体积分数分布图

随着溶气压力的变化，气泡的大小会随之发生变化，溶气罐压力越大则气泡越小，而释放的气体量会越多。从图4可以看出，随着气含率的增大，气泡在气浮池中的量越多，分布也越均匀。气体含量多，相应的气固比也越高，气泡与颗粒物的碰撞粘附几率变大，对颗粒物的去除作用和对有机物的吸附作用也变大，气浮效果变好。由表2可知，当压力高于0.35 MPa，气水比增强效果逐渐变缓，相应的气含率达到0.045，释放的微气泡量基本上满足气浮对气体量要求。气含率继续增大，过多的溶气量无法继续增强处理效果反而会出现气泡合并变大情况，对气浮处理效果不利。因此，气浮溶气压力宜选用0.35～0.40 MPa。

3　结论

通过上述研究可知：

（1）气浮池进水流量为0.5 m3/h，模拟结果看出气浮池进水口处水流速度较大，接触室内水流沿断面的分布较均匀，挡板对气浮分离区水流状态产生有利的影响，穿孔集水管的方式，使气浮池出水均匀，不易产生抽吸，有利于絮体颗粒的气浮分离。

（2）气浮池气水比的数值模拟结果可得出，随气含率的增大，气浮池内气泡的量越多，气泡分布越均匀。溶气压力在0.35～0.40 MPa时，气泡与固体颗粒接触充分，固液分离效果较好，气泡含量基本能满足气浮对气体量要求。

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Numericalsimulation of the effect of gas-phase volume for bubble distribution in a horizontal flow air flotation tank

Dai Tengyue1，Wang Anshuang2，Li Mei1，et al.

（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Qingdao New Management Commitee of Automobile Industry，Qingdao 266217，China）

Numerical simulations of a horizontal flow air flotation pool were conducted using FLUENT software to investigate the flow field in an air flotation tank，the motion state of air bubbles in the flow field，the effect of solid-liquid separation in the flow field，and to optimize operating conditions of the flotation tank.Geometrical modeling of the flotation pool was meshed by GAMBIT software，setting the initial boundary conditions and model of two-phase flow.The flow field and effect of gas-phase volume for bubble distribution in the air flotation tank were observed by operating the FLUENT software.The simulation results show that the flow regime in the pool gradually getting better with fewer water flow，while the water flow rate was fixed to 0.5 m3/h.The gas-water ratio increase with the increase of dissolved air pressure，and the enhancement effect gradually warming.When dissolved air pressure 0.35～0.40MPa，the gas-water ratio to 0.05～0.07 and the quantity of micro-bubbles distributed evenly over contacting zones and separation zones in flotation and able to meet the requirements of DAF.

horizontal flow air flotation tank；numerical simulation；gas-phase volume；bubble distribution

TU991

A

1673-7644（2016）04-0372-06

2016-06-13

水体污染控制与治理重大专项（2012ZX07404-003）

代腾跃（1989-），男，在读硕士，主要从事水处理理论与技术等方面的研究.E-Mail：1030136284@qq.com

*：李梅（1968-），女，教授，博士，主要从事水处理理论与技术等方面的研究.E-mail：limei@sdjzu.edu.cn