曝气池内气液流态的实验分析和数值模拟

周 靖

(安徽工业大学 工商学院，安徽 马鞍山 243002)

活性污泥法是污水、城市污水以及有机性工业废水的主体处理技术[1].曝气池是采用活性法进行污水生物处理的主要构筑物[2].通过曝气对反应器内污水进行搅拌、充氧，从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物进行氧化分解作用[3].本文采用的曝气方法为鼓风曝气，鼓风曝气是影响污水处理厂出水水质和降低能耗的重要部分[4].因此，曝气池内气液的混合程度直接影响曝气效率.本文通过实验与数值模拟两种方法对曝气池内气液两相流进行流态流速分析，通过实验论证数值模拟结果的准确性，为今后的气液两相流数值模拟研究提供依据.

1 物理模型

实验与数值模拟的曝气池规格一致均为边长为500 mm的立方体，曝气管直径均为25 mm，垂直向上开有间隔60 mm均匀开有直径为2 mm的孔眼.曝气管置于距离曝气池底部10 mm高度处，且紧靠在曝气池一侧中心处.

2 实验设计

实验曝气池为有机玻璃立方体，能清晰观察池内气液两相流态，实验采用量程为0.6 m3·h-1的玻璃转子流量计控制流量，鼓风装置为0.05 MPa的气泵.实验装置实物图如1所示.

图1 实验装置实物图

由图1可以看到，空气由气泵送出，经过流量计，通过软管到曝气管中，由曝气管上的三个孔眼喷出，对曝气池内的水进行曝气.为了保证曝气的强度足够大，方便观察池内气液两相流态，实验时通过流量计调节流量为0.5 m3·h-1，这样孔口流速就达到了14.7 m·s-1>10 m·s-1.在曝气的过程中，肉眼仅能观察到曝气管孔眼处及周围小部分区域垂直朝上的气流，其他区域的细小气泡及环流是观察不到的.为了观察到气液两相环流的方向及区域，在池中放置了一个悬浮颗粒(即图1中红色圆圈标明的颗粒)，颗粒密度约为0.97 kg·m-3，因此可以认为颗粒的运动不受自身重力与水的浮力的影响，而仅受池内气液两相流动的影响，通过摄像观察这个小颗粒的运动情况可以反映出池内气液两相的流动情况及环流的方向和强度.

3 实验结果与分析

将玻璃转子流量计通过流量调节至0.5 m3·h-1,观察池内悬浮颗粒的运动情况.可以清楚地看到小颗粒在正面及侧面沿着环形方向流动，且侧面的速度及出现在侧面的次数都比较大，这说明曝气池内正面及侧面都形成了环流，且侧面环流强度比正面环流强度大.正面颗粒环形流动示意图如图2所示.

图2 正面颗粒环形流动示意图

图2正面颗粒环形流动示意图为持续13 s左右一段摄像的六张截图，为了方便观察悬浮颗粒的位置本文用红色圆圈标注出来，从这六张截图可以清晰地看到悬浮颗粒沿着逆时针的方向进行环形流动.这表明，曝气池内在正面方向气液两相有环流存在，且方向为逆时针方向.这是由于曝气管是安装在池底一侧的，这样气体对池内液体的作用力就集中在一侧，因此池内液体在气体的带动下在池内呈旋转流动，同样在液体的卷吸作用下气体在一定程度上也随着液体形成了环流.侧面颗粒环形流动示意图如图3、图4所示.

图3 侧面左侧颗粒环形流动示意图

图4 侧面右侧颗粒环形流动示意图

图3侧面左侧颗粒环形流动示意图为持续7 s左右摄像的六张截图，从这六张截图可以清晰地看到悬浮颗粒朝左沿着逆时针的方向进行环形流动.这表明，曝气池内在侧面左侧气液两相有环流存在，且方向为逆时针方向.

图4侧面右侧颗粒环形流动示意图为持续7 s左右摄像的六张截图，从这六张截图可以清晰地看到悬浮颗粒朝右沿着顺时针的方向进行环形流动.这表明，曝气池内在侧面右侧气液两相有环流存在，且方向为顺时针方向.

出现以上现象是由于从侧面看曝气管位于曝气池中底部，这样曝气时气体对液体的作用力就集中在中部，因此会在两侧呈现向外的环流，即出现图3、图4所示的左右两侧的环流.由于曝气池结构为一正立方体，因此侧面环流的直径是正面的一半，相对于正面环流来说强度比其高一倍.因此，悬浮颗粒在侧面进行环形流动的概率比正面的大，且所用的时间较短，速度较快.

4 数值模拟

根据实际的流动形态，本文利用FLUENT软件提供的双欧拉模型及标准k-ε湍流模型对曝气池内气液两相湍流流动进行三维数值模拟[5].又因为曝气池内气液两相流动都是非稳态的，气泡在上升的过程中体积、密度等参数都会随着时间的推移而变化，到达池顶时还会产生破裂.因此，本文采用非稳态条件进行数值计算，所显示及分析的模拟结果是曝气达到稳定状态后的气液两相的流场.

图5 截面处气相体积分数分布图

本文将空气定义为主相，水为次相，孔眼处设定为空气入口，速度为14.7 m·s-1；池顶为压力出口，水力直径为0.05 m，开始计算时捕捉液面高度至350 mm高度处.

由于在FLUENT中仅能观察一个面的气相体积分数分布情况，因此取沿着管长方向垂直于曝气管的面为观测面，得到该面的气相体积分数分布图如图5所示.

由图5可以看出，气体主要分布在气体入口及上部的区域.这是由于气体由孔口处以小气泡的形式向上溢出，受浮力的作用持续上升至液面处，因此气体主要分布在曝气管孔眼周围及上部区域.

采用FLUENT软件对池内两相速度场进行分析，得到气液两相的速度矢量图如图6、图7所示.

图6 气相速度矢量图

图7 液相速度矢量图

从图6气相速度矢量图及图7液相速度矢量图可以看出，空气由孔口处以一定的速度喷流而出，在气体的带动下，整个曝气池内气液两相均以一定的速度运动.但是，虽然孔口处气体的流速达到了14.7 m·s-1，但池内中心区域液体的流速仅为0.02 m·s-1左右.因此，为了与实验所得结论进行对比，需要清晰地看到池内液体的流动情况，并对环流是否存在及环流的方向进行确定.笔者将流速的波动范围调节至0～0.1 m·s-1，得到的液相矢量图如图8、图9所示.

图8 正面液相速度矢量图

从图8正面液相速度矢量图及图9侧面液相速度矢量图可以清晰地看到曝气池在正面及侧面均有环流形成，且正面环流是沿顺时针方向的，侧面环流是由两个对称的且方向相反的环流组成的.这是由于曝气管位于曝气池的一侧，气体对池内液体的推动力就集中在一侧，这样从正面看便形成了环流；同时从侧面看曝气管位于曝气池底部的中心处，气泡由中间底部向上喷流而出，因此气体对液体的作用力就集中在中间，受到气体的作用力的影响，液体就向两侧扩散形成了两个对称的环流，方向朝外.这也正与实验模拟的结果相符.

5 实验结果与数值模拟结果对比分析

通过实验可以看出曝气池内有环流形成，并确定了环流的方向及池内两相的基本流态.通过FLUENT进行数值模拟也得到了与实验相符的结果，并且能更清晰地看到池内气液两相的流态，准确地确定各点的流速及气相的体积分数.

通过将实验结果与数值模拟结果对比分析可以看出，本文使用FLUENT软件进行数值模拟的数学模型基本准确.还可以明显看到数值模拟的优越性，进行一次数值计算就相当于做了一次实验，还能根据需要分析池内各点的气液两相流速及分布情况等，为实际工作提供了很多便利.