叶片孔槽结构对曝气机充氧性能的影响

刘鑫 魏晨宇 邢普 李康康 吴晖

【摘 要】为了研究在曝气机叶片上开设孔槽结构对其充氧性能的影响，通过FLUENT软件，采用VOF模型与标准k-ε湍流模型相结合的方法，对两种叶片曝气机驱动下的曝气池流场进行了三维数值模拟。仿真结果表明两种叶片曝气机的推流能力相当;有孔槽结构叶片周围的高湍动能区域明显增加，同时气液两相交界面的面积增大，能在一定程度上提高曝氣机的充氧能力。

【关键词】曝气机;有限元分析;优化设计

中图分类号：TH11 文献标识码：B

引言

氧化沟是一种运用广泛的污水处理设备，它的主要作用是向污水中充入氧气，氧化沟处理工艺作为城市污水和工业废水处理中有较强竞争力的二级生物处理技术已被世界各国广泛采用[1]。表面曝气是氧化沟工艺中主要的曝气方式，倒伞曝气机具有良好的充氧效率和推流能力，在氧化沟工艺中应用最为广泛。倒伞型叶轮曝气机的主要充氧方式是通过搅拌，使氧化沟表层水面与空气接触充氧，上下层水体交换。同时，水跃及负压产生的气囊也是倒伞型曝气机的充氧手段，目前倒伞曝气机广泛应用于Carrousel氧化沟[2]。

目前，卡鲁塞尔（Carrousel）氧化沟在国内外广泛使用[3][4]。国内外的许多学者也通过实验与仿真的手段，通过改变曝气机的几何参数与运动参数，研究其对氧化沟充氧性能的影响[5-8]。然而，对曝气机叶片开设孔槽结构的研究还鲜见报道。基于“逢正抽芯”理论，本文对曝气机叶片进行了开设孔槽结构的优化设计，对有无孔槽结构的两种曝气机叶轮进行了仿真模拟，对两种叶轮影响下的流场特性进行了分析，为后续曝气机的优化设计提供参考。

1.模型的建立与方案设计

为了研究两种叶片对叶轮周围流场的影响，本文建立了桶状曝气池模型。目的是研究曝气机叶轮在高速转动时，叶轮周围的流场分布情况，并对两种叶片影响下的流场进行对比分析。

使用的曝气机叶片为一种新型曲面叶片曝气机，叶片是按照对数螺旋线规律制作的弧形曲面叶片，如图1-1所示，这种叶片有着更加强劲的推流能力[9-10]。

驱动曲线的方程为方程如下：

使用SLDWORKS软件对叶轮进行建模，曝气机叶轮最大直径为90mm，高度为25mm，叶片数为6片，叶片倾斜角度为70°。两种叶轮的对比方案如图1-2所示，孔槽结构位于叶片对角线上，宽3mm，孔槽两端与叶片上下边的距离为5mm。倾斜孔槽结构的叶轮可以在3D打印制作时，不会因为材料浮空而发

曝气池直径为250mm，高度为200mm。叶轮上表面与曝气池顶部的距离为100mm，坐标轴原点位于叶轮上表面的中心。曝气机顺时针方向旋转，初始液面位于叶轮上方10mm处。

2.仿真分析计算

将曝气池的内流场划分为两个计算域，叶轮附近的流场设置为旋转域，其余区域设置为流场域。使用fluent meshing对网格进行划分，最大网格尺寸设置为3mm，fluent meshing在进行网格划分时，首先生成高质量的面网格，再将面网格转化为体网格。生成体网格时，体网格转换方式以六面体为主-多面体为辅的方式生成，在壁面上生成5层边界层。这种方式生成网格可以减少网格数量。最后生成的网格总数量为40万，旋转域网格质量在0.35以上，流场域网格质量在0.8以上，满足计算所需的网格质量要求。

计算时选用VOF自由液面模型与标准k-ε湍流模型，转速设置为400r/min，流场数值计算方法选为SIMPLE算法，旋转域与流场域的交界面设为“interface”面，曝气池上表面设为压力出口，其余壁面设为“wall”。并通过patch设置气相与液相的范围。时间步长设置为0.001，计算步数为1万步。

3.模拟结果分析

曝气机的充氧能力取决于三个方面：水跃现象;叶片的推流能力;叶片后方气囊出的气液交换。根据双膜理论，空气中的氧在从气相转移到液相的过程中，会受到来自液相膜的阻力，而在叶片高速旋转时，叶轮附近的流场有着较高的湍动能，使得此处气液两相间的膜变薄，促进了氧的转移。

流场达到稳定状态时，水平截面与竖直截面上的气液两相分布云图与速度云图，图3-1（a）（b）（c）为普通曝气机，图3-1（d）（e）（f）为有孔槽结构叶片曝气机。从图3-1（a）（d）中可以看出，叶轮旋转式会在叶片的后方形成气囊，两种叶片后方的气囊大小相差不大，但图3-1（d）中可以看出有一小部分液体会从孔槽结构中经过，进入到叶片后方气囊中。从图3-1（b）（e）中可以看出，叶轮周围的液体呈V型分布，叶轮两侧液体到达最高点后会形成一层波浪向着壁面运动，从图中可以看出两种叶片推流的液体在叶轮两侧分布情况相同，且最高点的高度相差不大。速度云图，开设孔槽结构没有减小红色高速度区域的面积，同时两种叶片在不同深度的速度分布情况也大致相同。

由此可以得出，在叶片上开设孔槽结构并不会对叶片的推流能力产生明显的影响。

对有孔槽结构叶片曝气机设置气相体积分数为0.9的自由液面，如图3-2所示。叶片在高速旋转时，大部分液体会被叶片推流出去，小部分液体会从叶片孔槽结构中穿过，与叶片后方的气囊接触。双膜理论提出，气液两相的接触面积的大小，决定了氧转移的速率。叶片开设孔槽结构能有效的增加气液两相的接触面积。因此可以认为叶片开设孔槽结构可以提高曝气机的充氧能力。

4.结论

为了研究叶片孔槽结构对曝气性能的影响，文中对曝气机影响下的流场进行了仿真分析，从气液两相分布情况与湍动能两个方面进行了分析，得出结论如下。叶片开设孔槽结构不会影响叶轮的推流能力，两种曝气机叶片后方气囊的大小与曝气池流场的速度分布情况相当，叶轮外圈的高湍动能的区域面积相差不大。有孔槽结构叶片曝气机的流场中，部分液体会通过孔槽结构与叶片后方气囊接触，气液两相交界面的面积增加;每个叶片后方会多出一块湍动能较高的区域，流场中高湍动能区域的总面积要大于原始曝气机叶轮。在叶片上开设孔槽结构可以使曝气机的充氧能力有一定程度的增强。

参考文献：

[1]李玉超. 水污染治理及其生态修复技术研究[M].青岛：中国海洋大学出版社. 2019，54-65.

[2]胡亨魁. 水污染治理技术[M]. 武汉：武汉理工大学出版社. 2009，227-236.

[3]冯成军，蒋岚岚，冯仕训. Carrousel氧化沟用于产业转移基地污水处理工程[J].中国给水排水，2017，33（22）：78-80.

[4]任南琪，丁杰，陈兆波等. 高浓度有机工业废水处理技术[M]. 北京：化学工业出版社. 2012，88-90.

[5]刘嘉伟. 倒伞曝气机内气-液两相流机理及优化设计研究[D]. 江苏大学，2019（6）.

[6]明加意，董亮，刘厚林.叶片形状对倒伞曝气机性能的影响[N]. 排灌机械工程学报，2018，36（2）：104-110.

[7]邢普，赵敬云. 倒伞型曝气机有限元分析及优化设计[J]. 计算机仿真，2010，27（6）：372-376.

[8]邢普，邱彬彬. 新型曲面倒伞型曝气机推流下的氧化沟流场分析[J]. 机械设计与制造，2014（1）：58-60.

基金项目：

本文受国家自然科学基金项目（51768045）资助。