出口直径对溶气释放器微气泡生成的影响研究

刘书城，牛环宁，岳 鹏

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

气浮技术是指将大量高度分散的微气泡通入要处理的污染废水中[1]，使它们可以成为载体，与杂质絮凝物彼此粘附，从而达到固体和固体、固体与液体以及液体与液体分离的目的。气浮技术在水处理工程中的应用广泛，而压力溶气气浮技术也普遍应用于气浮过程。释放溶气水中的气体，是压力溶气气浮过程的一个关键环节，由溶气释放装置完成[2]。通过溶气释放器生成平均直径更小、直径更平均且数量更多的微气泡，是提升气浮效率的一个重要途径。

近年来，随着多相流模拟技术的发展[3]，人们对压力溶气气浮技术有了更进一步的认识。本文针对现有的TS型溶气释放器存在的内流场压力梯度小、压降速度慢、出口处气相速度过快等缺点，建立了释放器模型，并改变了释放器的出口直径。运用FLUENT模拟软件，对溶气水流经不同释放器后的结构内部的压力场、速度场及出口处速度分布进行了仿真分析，得到了释放器的内部压力、速度分布云图及出口处速度的分布图，并对仿真结果进行了定性分析和定量分析，对现有释放器结构的改进及形成较优质量的微气泡，具有一定的参考作用。

1 TS型释放器的工作原理

TS型溶气释放器是同济大学首创的压力溶气法专用释放器[4-7]，工作原理为：压力溶气水进入孔口1，流道骤缩降低了部分压能，增强了空气分子的动能。接着溶气水流入孔口2，与释放器内部的挡板碰撞，形成涡流，产生了急剧的湍流扰动从而继续消能，同时降压释气。当水流急速转入平行圆盘的缝隙3时，扰动程度更为严重，并在4、5处形成了μm级的气泡。此时，溶气水的动能已损失95%左右，剩余动能在释放器内部继续产生紊流，使得微气泡仅在湍流扩散作用的影响下聚并，形成μm级的气泡。至此微气泡已完全成型，并从释放器出口6处进行减压释放。

图1 TS溶气释放器工作原理图

2 释放器模型的建立

参照工程实际中使用的TS-Ⅴ型释放器，确定了模型，并采用Solidworks软件，建立了释放器的三维结构模型[8-9]。改变释放器的出口直径分别为60mm、40mm、20mm，探究不同的出口直径对释放器的内部压力及速度分布的影响。释放器模型结构如图2所示。

图2 释放器结构示意图

网格划分采用Meshing完成，经过网格无关性验证后，采用四面体非结构化划分网格，单元尺寸为0.8mm。网格划分完成后，单元数量分别为739585、401847、141968，平均网格质量为 0.88，符合 Fluent软件仿真分析要求，划分完成所得到的网格模型如图3所示。

图3 释放器网格模型

3 计算步骤及参数选取

设置多相流模型为MIXTURE，主相设置为液态水，次相设置为空气，体积分数设为10%。压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，压力离散采用PRESTO格式，湍流模型选择相关性k-ε模型[10-11]。释放器下端为溶气水入口，上端为出口。在Y轴负方向添加重力9.81m·s-2。指定入口边界为压力入口，压力值设为0.5MPa，出口边界为压力出口，压力值设为0，湍流强度设为5%。

4 模拟结果及分析

4.1 释放器的压力场模拟分析

对不同释放器的压力场进行模拟分析，得到图4的压力云图[12]。由图4可以看出，压力溶气水从入口处进入释放器内部，先与凸型挡板碰撞产生折流效果，实现溶气水的降压消能，并在释放器内腔，通过与壁面的多次碰撞，达到溶气水降压释气的目的，最终从释放器出口处流出。

图4 释放器内部压力分布云图

当释放器出口直径为20mm时，释放器内部的压降速度慢，容易造成溶气水的降压消能不彻底，释气效果不理想。随着释放器的出口直径增大，释放器在挡板处的压降速度加快，溶气水在流场内部的压差增大，压降效果更为明显，从而能更好地实现溶气水在释放器内部的降压消能，有利于生成大量的微气泡。

4.2 释放器的速度场模拟分析

对不同释放器的速度矢量场进行模拟分析，得到图5的速度矢量云图。从图5可以看出，出口直径为20mm的释放器，其出口端速度分布较为分散，高速区域集中于壁面两侧，中心区域相对壁面部分的流速较低，不利于溶气水产生大小均匀且数量集中的微气泡集群。随着释放器的出口直径增大，释放器内腔中的溶气水的流速增大，并在入口端附近形成了较为明显的漩涡，说明溶气水在释放器腔内的折流混返效果更明显，有利于溶气水与壁面发生碰撞，实现降压消能并生成数量更多的微气泡。且出口处的高速区域集中于中间部分，这样有利于在主流区形成大小均匀、数量密集的微气泡集群，从而具备更好的气浮效果。

图5 释放器内部速度分布云图

4.3 释放器出口气相速度分布的模拟分析

对不同释放器出口处的气相速度分布进行数值分析，得到图6的释放器出口处气相速度分布图。从图6可以看出，出口直径为20mm的释放器，其出口端的气相分布较为稀疏，说明在出口端微气泡的生成数量相对较少。出口端气相的最高速度达到3.75m·s-1，出口速度较高，易导致生成的微气泡在气浮池内的停留时间偏短，不利于微气泡与水中的絮粒充分粘附，从而影响气浮净水效率。随着出口直径增加，释放器出口端的气相分布更为密集，说明溶气水通过释放器降压消能而生成的微气泡数目更多，从而有利于气浮净水过程中微气泡与絮粒的充分粘附。当出口直径达到60mm时，出口端气相的最高速度为1.9m·s-1，低于小口径释放器的出口速度，有利于气浮净水过程中微气泡在气浮池内充分停留，以便更好地粘附絮粒，实现更为优良的气浮净水效果。

图6 释放器出口处速度分布图

5 结论

对3种不同结构的释放器的内部压力、速度矢量云图及出口处速度分布图进行分析，得出如下结论：

1）随着TS型释放器的直径增大，溶气水在内流场的压降速度加快，压差变大，从而能更好地实现溶气水在释放器内部的降压消能，有利于生成更多的微气泡。

2）出口直径为20mm的TS型释放器，出口处的速度分布较为分散，随着释放器的出口直径增大，释放器内部的流体速度增大，溶气水的扰动更为剧烈，在出口处的速度分布更为集中，有利于生成大小均匀、数量集中的微气泡集群，从而具备更好的气浮净水效果。

3）低口径的TS型释放器，降压释放生成的微气泡数量相对更少，且出口端的气相速度相对较大，不利于形成数量密集、在气浮池内的停留时间充足的微气泡，而较大口径的释放器，不仅能生成数量更多的微气泡，且出口处的气相速度相对较低，微气泡在气浮池中的上浮速度较缓，不仅有利于生成足够数目的微气泡，而且有助于微气泡在气浮池内部充分停留，对水中杂质絮凝物的去除具有更好的效果。

综上所述，适当增大溶气释放器的出口直径，有利于形成数量密集、大小均匀、气浮停留时间久的高质量微气泡，从而在气浮净水过程中获得更好的净水效率。