进口气速对水力喷射空气旋流器内湍动能分布影响

李文生,谢辛娟,张 昊,邱发成

(重庆理工大学 化学化工学院， 重庆 400054)

0 引言

随着我国工业化进程的不断加快，环境污染，特别是水生态环境污染问题，已成为制约着我国经济与社会可持续发展的瓶颈。在水污染治理领域中，氨氮废水的排放量远高于受纳水体环境的容量，并超过COD，成为地表水体的主要污染源，是影响我国水生态环境保护领域的一个重要问题[1]。氨氮废水大量排入水体，不仅会导致水体富营养化、黑臭，过高的氨氮甚至可能激发水域内生物的熵变，毒害生物[2]。为此，氨氮废水的资源化与无害化处理已成为水治理领域中的关键工作。

目前，国内外已经对氨氮废水处理方面开展了较多研究，包含生物法、物理法和化学法等多种处理工艺。其中，物化吹脱法由于具有设备简单、易于操作、氨氮废水处理效果稳定、氨氮可回收利用等优点，因而在国内外高浓度氨氮废水资源化预处理领域得到了广泛的应用[2-3]。在高浓度氨氮废水的实际吹脱过程中，其传质与分离过程的相互耦合模式常影响着处理进程的成效[4]。为此，团队从液体射流与气体旋流耦合的角度出发，开发了处理水力喷射空气旋流器[5]。

1 数值模拟

1.1 控制方程

1.1.1雷诺应力模型

(1)

DT, jj+Pij+φij+εij

(2)

ρ为流体的密度。上式(2)中左边公式两项依次表示为瞬态项和对流项。上式(2)的右边四项式子，依次表示为湍流扩散项、压力产生项、压力应变项和耗散项，其具体表达式见文献[16]。

1.1.2VOF模型

为了精确地获得水力喷射空气旋流器内复杂的气液两相流动行为，采用了VOF模型对其进行描述[17]。研究表明，VOF模型[18]可以较好地描述该复杂的相界面流动情况，并且能够获得较好的湍动分布规律。该VOF模型中主要采用气液两相界面的体积分数方程对相分布规律进行描述，其体积分布方程如下：

(3)

式中：式右边中的mpq为第p相流体向q相流体进行质量传递。同理的，mqp为第q相流体向p相流体进行质量传递。此外，αq为第q相流体的体积分数，sαq为第q相流体的源定义项。

控制流域内流体的动量方程如下：

▽[μ(▽u+▽uT)]+ρg+F

(4)

式中:F为气液两相流中表面张力产生的动量方程源相。该式子的物理表达方程，可根据Brackbill[19]提出的连续表面模型(CSF)得出，其具体的表达式如下：

(5)

式(4)-(5)中：αg、αl分别为整个流域中气相空气和液相水所占的体积百分比。F为表面张力的等价体积力形式；t为时间；p为压强；μ为流体动力黏性系数。

1.2 模拟条件与模型验证

前期已对水力喷射空气旋流器射流雾化过程、压力、耦合空间处流场等进行了研究，本部分主要考察进气速度对WSA内湍动行为的影响。因而，本部分工作的采用模拟边界条件、网格和结构参数、网格无关性以及模型验证都与文献[10]保持一致，具体见文献[12]。

2 结果与讨论

2.1 竖直平面上的湍动能分布

为了深入探究射流与旋流耦合作用下两相流动过程中湍动行为变化，主要考察不同进口气速下(12.44、14.22、16.89 m/s)，不同平面处湍动能分布情况。一般来讲,湍动能是湍流速度涨落方差与流体质量乘积的1/2，湍流动能k的公式可表示为：

(6)

式中：u表示平均速度；I表示湍流强度。

如图1所示，湍动能的分布具有一定的相似性，即在WSA的溢流管与旋流器壁之间，环隙区域沿径向的湍动能变化不大，而在溢流管区域出现较大的特征分布。特别地，在溢流管底部下轴向位置上，湍动能分布具有相似性，呈两边高、中间低的不对称鞍形[20]。随着进口气速的增加，这种“不对称鞍形”的特征更为明显，且溢流管中上段也出现了局部小区域的较大值湍动能分布。一般来讲，对于单旋风进口来看，常常会在旋风进口的背风面存在一定区域的回流区，这种区域的分布可能会引起湍动能的变化。如图1箭头所指区域，随着进口气速的增加，湍动能在旋风进口背面区域由无区域分布到出现区域分布，在气速等于14.22 m/s时湍动能的分布区域最大。

图1 在竖直平面上的湍动能分布云图

2.2 不同水平面上的湍动能分布

为了深入探究WSA内湍动能的分布特性，本部分工作考察了旋流与射流耦合空间的上(Z=40 mm)、中(Z= 86.8 mm)、下(Z= 118 mm)3个层面的情况进行模拟分析。如图2所示，WSA内壁与溢流管外壁的环隙区域沿径向方向的湍动能分布相似且分布特征不明显。对于溢流管所在平面来看，接近溢流段底部区域的湍动能明显较大，沿轴向向上方向逐渐减小。接下来，还考察了上述平面的速度适量分布，旨在为湍动能研究提供指导。如图3所示，溢流管内流体流动向上，且速度的较大值分布也出现在该区域。随着气速增加，在溢流管区域的速度也逐渐增加，而WSA内壁与溢流管外壁的环隙区域速度的增加幅度不大。这也与湍动能分布特征基本相似。为了研究两相流动体系中气含率分布与湍动能分布的相关性，考察了不同水平面处的气含率分布情况。如图4所示，射流柱在旋风作用下发生一定断裂、破碎等行为，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2个平面的溢流管外壁出现了一定的气相分布。然而在相同位置处的湍动能分布中未出现相应的特征分布。

图2 不同水平面内的湍动能分布云图

图3 不同水平面内的速度适量分布云图

图4 不同水平面内的气含率分布云图

2.3 不同气速条件下湍动能的空间分布

为了更加直观地研究WSA内的湍动能分布，考察了反应器内部湍动能的三维空间分布特征，如图5所示。具体来看，主要考察了不同气速条件下湍动能等于5、10、15、20 J/kg的三维空间分布情况。如图所示，在相同气速条件下，随着湍动能等值面的增加，湍动能的分布区域逐渐缩小，符合湍动能的分布规律。总的来看，溢流管与WSA之间的环隙空间内湍动能沿径向方向的分布区域明显小于溢流管内。从图5(a)中等值面等于20 J/kg可以看出，较大的湍动能主要分布在溢流段底部区域。同时，随着等值面数值的不断增加，溢流管内的湍动能分布区域逐渐减少。随着进口气速的增加，溢流管的湍动能明显增加。研究表明，湍动能来源于时均流，主要依靠雷诺切应力做功供给湍流进而提供能量[19]。结合WSA内湍动能分布规律，可以看出溢流管区域内的湍流从时均流中获得的能量较多，也就是时均流在该区域的能量损失于湍流的量较大，特别是在溢流管轴向向下段区域。

图5 不同进口气速条件下湍动能在整个空间的分布云图

3 结论

1) 在溢流管底部下轴向位置上湍动能分布具有相似性,呈两边高、中间低的不对称鞍形。随着进口气速的增加，这种“不对称鞍形”的特征更为明显，且溢流管中上段也出现了局部小区域的较大值湍动能分布。

2) 射流柱在旋风作用下发生一定断裂、破碎等行为，在Z=86.8 mm和Z= 118 mm 2个平面的溢流管外壁出现了一定的气相分布。在相同位置处的湍动能分布中未出现相应的特征变化。

3) 溢流管区域内的湍流从时均流中获得的能量较多，也就是时均流在该区域的能量损失于湍流的量较大，特别是在溢流管轴向向下段区域。