射流曝气机内部流动三维数值模拟与关键结构参数分析

陈从平，何枝蔚，邓扬，徐道猛，李游

射流曝气机内部流动三维数值模拟与关键结构参数分析

陈从平1,2，何枝蔚1，邓扬1，徐道猛1，李游1

（1.三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002；2.常州大学 机械工程学院，江苏 常州 213164 )

为了探究射流曝气机关键结构对其引射气体性能的影响规律，利用Fluent软件，采用控制变量的方法对不同喉嘴距、喉管长径比以及面积比下的射流曝气机内部流动进行了三维数值模拟，得到了射流曝气机内部压力、流速以及湍动能的仿真结果。通过对比分析可知，喉嘴距、喉管长径比、面积比等都对射流曝气机引射性能有一定的影响。在设计的结构尺寸范围内，当喉嘴距为1.5、喉管长径比为4、面积比为4.84时引射系数最大，曝气机引射气体性能最好。研究结果可为新型射流曝气机的设计提供理论和实际参考。

射流曝气机；数值模拟；结构参数；引射系数

作为一种高效传质与节能的水下曝气技术，射流曝气最早在20世纪40年代便应用于工业污水处理[1]。其核心原理是利用狭小通道对气流的约束作用，对水流造成强烈扰动和剪切，并利用它抑制气泡的长大[2]。与传统的自由曝气相比，射流曝气具有诸多优点，如运行稳定、可靠、结构简单、便于调节，且维修量小、适用性强，因而得到了广泛的应用[3]。

目前，国内学者对射流曝气机进行了深入研究，其中包括射流曝气机部分参数研究、局部结构的改进等[4-7]。影响射流曝气器性能的因素主要包括工作条件和结构参数等[8]，在一定工作条件下，射流曝气机的喉嘴距、面积比、喉管长径比都会直接影响曝气机引射性能。刘小芳[9]对射流曝气机内部二维流动过程做了模拟，验证了多相流混合模型的正确性；陈维平等[10-11]采用二维数值模拟的方法研究了不同长径比和喷嘴面积比对射流曝气器流场以及流量比的影响。而关于射流曝气机关键结构对其引射气体性能的影响研究较少。射流曝气机内部流动属于气液两相流动，它与管道内气液两相流以及自掺水气流有所不同，重点在于水射流与空气的混合过程[12]。因此，本文应用三维数值模拟[13]的方法对射流曝气机内部流动状态进行分析，研究射流曝气机引射空气性能，分析喉嘴距、面积比、喉管长径比等结构参数对曝气机引射性能的影响规律，确定最优值。从而为设计新型射流曝气机提供理论指导。

1 数值计算模型

研究主要采用控制变量方式，将射流曝气机部分关键结构的经验参数选择在一定范围内，分别改变这些结构参数来探究其对射流曝气机引射性能的影响。参照文献[14-15]设计计算出的射流曝气机结构尺寸如图1、表1所示。

表1 射流曝气机主要结构尺寸

图1 射流曝气机主要结构尺寸

1.1 物理模型的建立及网格划分

利用SolidWorks软件建立射流曝气机内部流域三维造型，并将模型导入到Ansys Mesh里面进行网格划分，采用适应性较强的非结构性网格进行划分，在划分网格时考虑到网格的大小对计算结果的影响，开始时采用较大的网格间距和较少的网格数，当计算收敛后，为了让结果更精确，对网格进行了细化，在保证网格质量的情况下最终生成30万网格。图2为划分网格以后的模型。

1.2 控制方程的离散和求解设置

本文采用Fluent三维双精度解算器，定义求解模型为压力基、稳态求解器；同时选择多项流中的Mixture模型及标准-湍流方程和标准壁面函数，参考压力设置为101325 Pa，并考虑重力的影响；动量、湍流耗散、湍流动能等设置为默认的一阶迎风格式，松弛因子都设置为欠松弛因子以便收敛。初始化时，设置一定初始条件，设置迭代步数20000步。

图2 网格划分

1.3 边界条件

本文以水为主相、以空气为次相，两种流体的物性参数如表2所示。已知水流入口流量，则入口速度为：

式中：1为水流体积流量，m3/h；1为水流入口直径，m。

故水流入口采用速度入口，水流速为4.2 m/s，空气入口为压力入口，为1个大气压，扩散管出口设置为压力出口，数值为一定背压，其余边界设置为标准无滑移壁面。

表2 两种流体的物性参数

2 计算结果分析

在CFD-Post后处理软件中建立中心轴线，可以得到射流曝气机中心轴线上的压力分布曲线，如图3所示。当工作水从喷嘴高速射出时，压力能转化为动能，由于水流速度很大，因而喷嘴处有一个很大的压降。喷嘴出口处压力小于大气压力，从而形成一定的真空度将外界空气吸入吸气室中。此后在喉管段压力基本保持不变，而图4中可以看出喉管出口压力略低于喉管进口处压力，这是由于气液两相在喉管段发生剧烈掺混导致的能量损失。混合流进入扩散管后，压力有明显回升，最终在出口处恢复到外面背压。由于对该模型采用混合多相流模型计算出的压力分布与以往研究结果较吻合，故说明该模型的选取和参数的设置是可行的。由图5看出，在喷嘴出口和喉管入口贴近壁面处的湍动能最大，这是由于工作流体速度与被吸气体流速不同，导致这一区域湍射流最紊乱。

图3 中心轴线上静压分布

图4 XOY平面压力分布

图5 XOY平面湍流动能分布

由图6和图7可以看出，工作流体的速度在喷嘴段逐渐增大，且在喷嘴出口中心处达到最大值，大约为19 m/s，此后在喉管段和扩散管段又逐渐变小。这是由于流体在通过收缩喷嘴时将压力能转换为动能，导致流体速度急剧增大，同时压力降低，最终在喷嘴出口处降到最低，且低于大气的压力，从而将气体从外界吸入吸气室中。当气液两相在喉管的某一位置处混合均匀后，两相流速度逐渐趋于一致，与圆管内部流动状态相符。此时空气仍为连续的介质，而水从连续的介质被剪切成为不连续的介质，形成一种水均匀分布于空气的混合流，最后该混合流经过扩散管，将动能转化为压能，速度又不断降低。从图8可以看出，气体从外界吸入后充满整个吸气室，随后在水射流的作用下，进入喉管并与水流掺混产生混合流，气液两相在喉管末端混合较为均匀，后经扩散管从出口排出。

图6 中心轴线上速度分布

3 射流曝气机关键结构对性能的影响

3.1 性能参数

引射系数，也称为喷射系数，是评价射流曝气机性能的一个重要指标[16]。一般认为，引射系数越大，则效率越高，性能也越好[17]。在数值上等于引射空气质量流量与工作水质量流量之比，即：

式中：Q1为工作水质量流量，kg/s；Q2为引射空气质量流量，kg/s。

图8 XOY平面空气体积分数

3.2 喉嘴距对射流曝气器性能的影响

喉嘴距是指喷嘴出口断面到喉管进口断面之间的直线距离，通常以喷嘴出口直径的倍数来表示，一般在（0.5～2）的范围内。这段距离对曝气机吸气性能有一定妨碍作用，故通过改变喉嘴距来分析其对曝气机引射性能的影响。在保证其他结构参数等与前文一致的情况下，分别对喉嘴距为0.5、、1.5、2、2.5的曝气机进行数值模拟。

表3、图9给出了射流曝气机吸入气体质量流量与喉嘴距之间的关系。可以看出，随着喉嘴距的增大，引射系数呈现先增大后减小的趋势。当喉嘴距为1.5时，引射系数达到最大，此时曝气机性能最好，此后随着喉嘴距继续增大，曝气机性能开始下降。这是由于，当喉嘴距较小时，水射流与引射空气两相之间发生能量交换的时间短暂，造成引射空气获得动能较少，使吸入的空气变少，当喉嘴距增大使得两相之间能量交换的时间增加，导致引射空气所获得的动能增加，故而吸入空气质量流量增加，使得曝气机性能变好。但是，喉嘴距太大会导致水射流损失的能量增加，也会造成吸入空气质量流量减小。

表3 不同喉嘴距下射流曝气机性能变化

图9 不同喉嘴距对吸入空气的影响

3.3 喉管长径比对射流曝气器性能的影响

喉管是射流曝气机一个关键结构，其长度不仅影响自身工作，还会对后面的扩散管起到一定作用，通常以喉管的长径比来研究曝气机性能。取前文较优的喉嘴距1.5、其他结构参数与前文一致的情况下，通过改变喉管长径比来分析其对曝气机性能的影响。分别对喉管长为22、42、62、82、102的曝气机进行数值模拟。

表4、图10给出了射流曝气机吸入气体质量流量与喉管长径比之间的关系。可以看出，随着喉管长径比的增加，引射系数呈现先增大后减小的趋势，且当喉管长径比为6时，引射系数达到最大，此时曝气机性能最好。此后随着喉管长径比继续增大，曝气机性能开始下降。这是因为喉管太短则射流直接穿过喉管，起不到掺混的作用，未完成混合的两相流在扩散管中的能量损失增加；太长则会因为壁面的轴向剪切作用造成能量的损失，同时速度梯度也较大，从而使曝气机的性能降低。

表4 不同喉管长径比下射流曝气机性能变化

图10 不同喉管长径比对吸入空气的影响

3.4 面积比对射流曝气器性能的影响

面积比是指喉管截面积与喷嘴出口截面积的比值，也是影响射流曝气机吸气性能的重要结构参数。为了研究面积比变化对曝气机性能的影响，可保持曝气机的其它结构尺寸不变，通过改变喷嘴直径和喉管直径的尺寸来分析其对性能的影响，本文通过改变喉管直径并保持喷嘴直径不变的条件下来研究面积比变化对曝气机性能的影响。根据前一小节所得到的结论，在喉嘴距为1.5、喉管长径比为4的情况下，分别采用喉管直径为14 mm、18 mm、22 mm、24 mm、26 mm、29 mm对射流曝气机进行数值模拟，与之相对应的面积比为1.96、3.24、4.84、6、6.76、8.41。

表5、图11给出了射流曝气机吸入气体质量流量与面积比之间的关系。可以看出，随着面积比的增加，引射系数呈现先增大后减小的趋势。当面积比为4.84时，引射空气质量流量达到最大值，此时曝气机性能最好，此后随着面积比继续增大，曝气机性能开始下降。这是由于，当面积比较小时，喉管的直径相对较小，水流速度一直处于高速，喉管入口被水流完全覆盖，使得气液两相不能充分接触。当面积比较大时，喉管内的速度分布不均匀，气液两相在管内的动量交换受阻，使引射空气获得动能较小，从而影响引射气体的吸入。

表5 不同面积比下射流曝气机性能变化

图11 不同面积比对吸入空气的影响

4 结论

本文建立了射流曝气机的内部流域三维数值模型，并通过数值仿真探究了射流曝气机关键结构对其引射性能的影响，结果表明，本文模型的设计和仿真参数的设置是可行的，计算得到的射流曝气机中心轴线上压力和速度分布都符合其基本理论规律。在研究的结构尺寸范围内，当嘴距为1.5、喉管长径比为4、面积比为4.84时结果最优。仿真结果可以作为新型射流曝气机设计的理论参考，并具有一定的现实意义。

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Three-dimensional Numerical Simulation of Internal Flow in Jet Aerator and Analysis of Key Structural Parameters

CHEN Congping1,2，HE Zhiwei1，DENG Yang1，XU Daomeng1，LI You1

( 1.College of Mechanical & Power Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

To explore the influence of the key structure of the jet aerator on its ejection performance, a series of three-dimensional numerical simulations of the internal flow of jet aerator under different length-to-diameter ratios of throat pipe, nozzle spacing and area ratios are carried out by using Fluent software through control varieties method, and the simulation results of the internal pressure, flow velocity and turbulent kinetic energy of the jet aerator are obtained. And the result of comparative analysis indicates that all of the three variables effect the ejection performance of the jet aerator; within the designed structural size range, the ejection performance is the best when the nozzle-spacing is 1.5, the length-diameter ratio of throat pipe is 4 and the area ratio is 4.84, which provides theoretical and practical reference for the design of the new jet aerator.

jet aerator；numerical simulation；structural parameters；ejection coefficient

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.001

1006－0316 (2020) 02－0001－06

2019－10－09

国家自然科学基金项目（51475266，流体微挤出/堆积制备组织工程支架过程形态调控机理究）；国家科技重大专项课题（2018YFC1903101，废线路板器件智能拆解和分选技术研究与示范）

陈从平（1976－），男，湖北荆州人，博士，教授、博士生导师，主要研究方向为3D打印、微电子制造、机器视觉、机器学习及机电系统控制。