气浮净水高压射流溶气的可行性分析.pdf

气浮净水高压射流溶气的可行性分析 * 王峰王广丰温利利张传艳王宁宁 江苏师范大学机电工程学院， 江苏 徐州 221116 摘要 利用 CFD 方法和 Fluent 软件模拟和分析了射流器在高、 低压下内部和出口总体气体体积分数的大小和稳定性 特点。通过比较高、 低压射流溶气的相同点和差异， 可得出结论 射流器高压 6 ～ 10 MPa 射流溶气是可行的， 射流器 出口的总体气体体积分数要大于低压 0. 3 ～ 0. 6 MPa 射流溶气， 射流器在高压射流溶气下扩散管中总体气体体积分 数的稳定性与低压射流溶气较接近。 关键词 气浮净水;气体体积分数;射流溶气 THE FEASIBILITY ANALYSIS OF THE HIGH- PRESSURE JET DISSOLVED GAS IN FLOTATION WASTEWATER TREATMENT Wang FengWang GuangfengWen LiliZhang ChuanyanWang Ningning College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China AbstractThe article simulated and analyzed the features of the size and stable of the overall gas volume fraction of the ejector inner and outlet under high-pressure and low-pressure by means of CFD and Fluent software． It was concluded that ejector high-pressure jet dissolved air was feasible and had some advantages through comparing the differences of high-pressure and low-pressure jet dissolved air． The overall gas volume fraction of high-pressure 6 ～ 10MPajet dissolved gas was greater than low-pressure 0. 3 ～ 0. 6MPajet dissolved air． The overall gas volume fraction of ejector diffusion tube in high-pressure dissolved air was relatively stable，which was close to low-pressure dissolved air． Keywordsflotation wastewater treatment;gas volume fraction;jet dissolved gas * 江 苏 师 范 大 学 2012 年 度 研 究 生 科 研 创 新 计 划 基 金 资 助 项 目 2012YZD009 ; 江苏省高校自然科学研究计划 SLB0504 。 0引言 射流器作为一种高效传质溶气方式， 最早在 20 世纪 40 年代便应用于气浮式污水处理系统。确定射 流器的最佳射流参数一直是研究的重点 ［1］。由于低 压泵 0. 3 ～ 0. 6 MPa 性价比高， 低压射流的应用研 究已较多 ［2- 4］， 而超高压水射流 70 ～ 300 MPa 作为 清洗、 切割、 破碎工具， 近几十年才得以研究发展。高 压 6 ～ 10 MPa 射流直接用于气浮碎气在国内外未 见报到， 而高压射流对气体的切割碎气和气液传质效 果大大优于低压射流。利用前置装置产生的高压冗 余将射流器卷吸进来的空气与高压水进行混合溶解 和破碎， 最终生成的气泡包含 高压射流溶气水释放 的部分和射流卷吸空气并粉碎的部分。从而增加了 气泡生成数量和提高了溶气效率， 充分发挥射流碎气 效率高的优点。本文应用 Fluent 软件二维模拟射流 器高压射流溶气状态 以射流器内部和出口处的总 体气体体积分数的大小和稳定性为衡量标准 ， 探讨 高压状态下的射流器溶气可行性问题。 1高压射流溶气数学模型 射流器由喷嘴、 吸入室、 喉管三部分组成， 其结构 如图 1 所示。 图 1射流器结构 高压射流溶气是使高压水从射流器喷嘴 入口 1 高速喷出， 并在吸引室中产生负压， 使外部空气由 进气管 入口 2 不断吸入吸引室， 随水进入喉管; 在 喉管中高压水和空气充分混合溶解， 并进行能量交 32 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 换， 在湍流状态下， 空气被切割成微小气泡; 混合后的 流体在扩散管内速度降低、 压力升高， 产生气、 液混合 的压缩过程， 最终生成的溶气水由出水口排出 ［5］。 根据亨利定律， 气体在一定温度下及一定压力范 围内， 在水中的溶解度与溶解压力成正比， 即 V kTP 1 式中 V 为气体在水中的溶解度; kT为溶解度系数， P 为平衡时气体在溶液上方的绝对分压。 1. 1气液两相流的基本控制方程 双流体模型方法， 只需假设每一种流体是充满整 个流场的连续介质， 不必引入其他人为假设， 并且针 对两相分别写出质量、 动量或能量守恒方程， 通过相 界面的相互作用将两组方程耦合在一起。大部分污 水处理工程中的气液两相流是在常温下进行的， 可以 忽略其热力特性， 这样可以不考虑能量方程， 因而， 连 续方程和动量方程可联立求解， 而不必与能量方程耦 合求解 ［1］。本文采用欧拉方法描述的 Mixture 模型， 得出气液两相流的基本控制方程 连续性方程  t α kρk  X i α kρkukj 0 2 动量守恒方程  t α kρkuk  X j α kρkukiukj － αk P X i  X j ［ α k τ kji τ ＇ kji ］ αkρkfki Mki 3 式中 下标 i 和 j 代表坐标方向;τkji为分子黏性应力 张量;τ ＇ kji为紊流黏性应力张量;Mki代表气液两相中 的相间作用力， 通常将其分为三个部分 阻力项、 升力 项和附加质量力项 ［6］。 1. 2气液两相流的湍流方程 由于射流场处于湍流状态， 因此采用标准的 k-ε 方程模型 ［7］， 标准 k-ε 方程模型的湍动能 k 和湍动耗 散率 ε 方程如下 湍流黏性系数 μi ρCμ k2 ε 4  ρk t  ρkui x i  x j ［ μ μi σk k x j ］ Gk Gb－ ρε － YM Sk 5  ρε t  ρεui x i  x j ［ μ μi σε ε x j ］ C 1ε ε k Gk C 3ε Gb－ C 2ε ρ ε 2 k Sε 6 式中 Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能; G b为由 于浮力引起的湍动能; YM为可压缩湍流脉动膨胀对 总湍动耗散率的影响; C 1ε 1． 44; C 2ε 1． 92; Cμ 0. 09; σk 1. 0; σε 1. 3。 2Fluent 数值求解 2. 1网格划分 利用 Gambit 软件对模型进行网格划分， 本模型 采用的是非结构化网格划分， 局部网格划分结果如图 2 所示。 图 2模型局部网格划分 2. 2边界条件 根据模型的模拟条件， 入口 1 和入口 2 均采用压 力入口边界条件， 压力大小由实际工作条件决定; 出 口采用压力出口边界条件， 压力大小设为2 m水深处 的压力 19 564. 72 Pa 射流器出口通常位于2 m左右 的水深处 ［8］; 壁面采用标准壁面边界条件。 2. 3参数设置 采用分离式求解器进行稳态计算， 选择无滑移的 Mixture 模型， 采用标准的 k-ε 湍流模型， 定义工作介 质为空气和高压水， 参考压力设置为标准的大气压。 速度 － 压力耦合采用 SIMPLE 算法， 压力插值采用标 准格式， 对流项均采用一阶迎风离散格式。 3模拟结果分析 3. 1低压射流溶气效果 压力模拟参数设置见表 1。利用 Excel 软件对模 拟获得的数据进行处理得出图 3。如图 3a 所示， 入 口 1 压 力 以 等 间 距 0. 05 MPa从 0. 3 MPa 增 加 0. 6 MPa时， 射流器出口的总体气体体积分数也随之 增加， 并且总体气体体积分数数值解 三角形表示， 由 Fluent 软件模拟得到 和解析解 横线表示， 根据 入口 2 进气量与出口的出水量解得 。图 3b 表明， 射 流器出口 的 溶解 气 体体 积 分 数 先 增 加 后 减 小， 在 0. 45 MPa左右时达到最大值。图 3a 和图 3b 两图比 较得出， 射流器出口的碎气气体体积分数占总体气体 体积分数主要部分， 因而最终在气浮分离池中生成的 气泡由溶解的气泡和碎气的气泡两部分组成， 并且碎 气生成的气泡占主体。 42 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 表 1低压下射流器入口和出口的压力模拟参数 表压值 入口 1 压力 /MPa0. 30. 350. 40. 450. 5 0. 550. 6 入口 2 压力 /MPa0 出口压力 /Pa19 564. 72 a － 总体气体; b － 溶解气体 图 3射流器出口气体体积分数与入口 1 压力的关系 经 Fluent 后处理软件 Tecplot 分析得出的射流器 喉管 0. 07 ～ 0. 15 m 和扩散管 0. 15 ～ 0. 2 m 中的 总体气体体积分数变化状态见图 4。由图 4 表明 射 流器喉管和扩散管的总体气体体积分数整体上处于 平稳状态， 无太大的振荡， 但由喉管过渡到扩散管 横轴0. 15 m处 的过程中， 有较小的跃变， 由此说明 低压射流时射流器中的总体气体体积分数比较稳定。 图 4射流器喉管和扩散管中的总体气体体积分数变化状态 3. 2高压射流溶气效果 压力模拟参数设置见表 2。如图 5a 所示 在入 口 1 压力从6 MPa以等间距 0. 5 MPa 增加到10 MPa 时， 射流器出口的总体气体体积分数 解析解和数值 解 都随之增大， 并且解析解与数值解的差距随入口 1 的压力增加时有增大的趋势， 在10 MPa时达到最 大， 经计算得出， 10 MPa时数值解相对于解析解的误 差率仅有 2. 92 ， 说明 Fluent 软件模拟求得的数值 解具有可行性。图 5b 中， 入口 1 压力增加时， 射流器 出口的溶解气体体积分数呈先平稳 6 ～ 7. 5 MPa时 后增加 7. 5 ～9. 5 MPa时 的趋势， 在10 MPa时， 有所下 降。图 5a 和图 5b 比较得出 射流器出口的碎气气体 体积分数占总体气体体积分数主要部分， 因而最终在 气浮分离池中生成的气泡由溶解的气泡和碎气的气泡 两部分组成， 并且由碎气生成的气泡占主体。 表 2高压下射流器入口和出口的压力模拟参数 表压值 入口 1 压力 /MPa66. 577. 588. 5 99. 510 入口 2 压力 /MPa0 出口压力 /Pa19 564. 72 a － 总体气体; b － 溶解气体 图 5射流器出口气体体积分数与入口 1 压力的关系 图 6 表明 射流器喉管中总体气体体积分数在入 口 1 压力从6 MPa增加到10 MPa时都有较大的波动， 并且在喉管的前半段部分波动最大， 后半段有所减 小， 到扩散管中时波动相对于喉管小得多， 接近稳定。 而从喉管过渡到扩散管时 0. 15 m时 ， 总体气体体 积分数整体上都有所上升。 4结论 图 3a 和图 5a 表明 高压 6 ～ 10 MPa 射流溶气 的总体气体体积分数的大小比低压 0. 3 ～ 0. 6 MPa 射流溶气要大。低压射流溶气时射流器出口总体气 52 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 图 6射流器喉管和扩散管中的总体气体体积分数变化状态 体体积分数在 0. 03 ～ 0. 15 内， 而高压射流溶气时射 流器出口的总体气体体积分数大约为 0. 294 左右。 不管是高压射流溶气还是低压射流溶气， 射流器出口 的碎气气体体积分数占总体气体体积分数的主要部 分。低压射流溶气时 从 0. 04 增加到 0. 14 时， 只需 增加0. 3 MPa 射流器出口总体气体的体积分数增加 速率比高压射流溶气 保持在 0. 294 左右 要快。因 此， 入口 1 压力达到10 MPa时， 继续增加入口 1 压力 时， 射流器出口的总体气体体积分数将没有太大的增 加， 反而会增加能源消耗， 降低溶气效率。图 6 表明， 在高压射流溶气时， 射流器扩散管中的总体气体体积 分数是相对稳定的， 与低压射流相接近。因此， 射流 器高压射流溶气是可行的。 参考文献 ［1］程沛． 四喷嘴射流曝气器性能的数值模拟与实验研究［D］． 重 庆 重庆大学， 2009． ［2］陆建峰， 彭晓峰， 丁静． 微细丝上气泡射流间的相互作用特性 ［J］． 航空动力学报， 2010， 25 2 264- 269． ［3］Kawahara A， Chung P M Y， Kawaji M． Investigatiun of two-phase flow pattern void fraction and pressure drop in a micro channel［J］． International Journal of Multiphase Flow， 2008， 28 1411- 1435． ［4］Jun Ishimoto， Kenjiro Karnijo． Numerical simulation of cavitating flow of liquid helium inventuri channel［J］． Cryogenics， 2003， 43 9- 17． ［5］王广丰． 气浮净水系统运行效率研究［M］． 北京 高等教育出版 社， 2004 49． ［6］许多武， 宋卫堂． 射流器臭氧 － 水混合数值模拟及喉管优化 ［J］． 中国农学通报， 2008， 24 10 549- 553． ［7］杨国来， 周文会， 刘肥． 基于 FLUENT 的高压水射流喷嘴的流场 仿真［J］． 兰州理工大学学报， 2008， 34 2 49- 52． ［8］陈维平， 江帆， 李元元， 等． 射流曝气的气液两相流的数值模拟 ［J］． 环境污染治理技术与设备， 2006， 7 3 48- 52． 作者通信处王峰221116江苏省徐州市铜山新区上海路 101 号 江苏师范大学机电工程学院 电话 0516 83954099 E- mailwangfmx 163． com 2012 － 07 － 04 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 97 页 后， 按表 5 进行修正 ［7］。 表 5测量结果修正表 dB 差值34 ～ 56 ～ 10 修正值－ 3－ 2－ 1 由表 5 分析， 测量结果的修正实际上是背景值修 正， 即将背景噪声值从噪声测量值中去除， 使得测量 结果只反映工程噪声的贡献值。可见， 对于噪声排放 标准来说， 应以工程噪声贡 献 值 作为评价 量。GB 30962008 适用的噪声影响评价量则应以工程噪声 贡献值与现状噪声值叠加后的预测值作为评价量。 参考文献 ［1］HJ 2. 42009 环境影响评价技术导则声环境［S］． ［2］陈帆， 赵仁兴． 新声导则主要变化与要点释疑［J］． 环境保护， 2010 5 48- 50． ［3］赵健忠． 浅议声环境影响评价技术导则中评价等级的划 分 ［J］． 四川建材， 2009， 35 3 89- 90． ［4］崔 小 爱． 浅析“环境影 响评价 技术导则声环境“ HJ 2． 4 2009 实施 后 环 评 中 应 重 视 的 问 题［J］． 环 境 科 学 与 管 理， 2011， 36 8 185- 191． ［5］GB 223372008 社会生活环境噪声排放标准［S］． ［6］GB 123482008 工业企业厂界环境噪声排放标准［S］． ［7］GB 125232011 建筑施工场界环境噪声排放标准［S］． ［8］中华人民共和国环境保护总局． 关于居民楼内设备产生噪声 适用环境保护标准问题的复函［R］． 环函［ 2007］ 54 号． ［9］中华人民共和国环境保护部． 关于居民楼内设备产生噪声适 用环境保护标准问题的复函［R］． 环办函［ 2009］ 1014 号． ［ 10］中华人民共和国环境保护部． 关于居民楼内设备产生噪声适 用环境保护标准问题的复函［R］． 环函［ 2011］ 88 号． 作者通信处李文丹102205北京昌平阳坊镇防化学院履约部 电话 010 66756379 E- mailfreesleep 126． com 2012 － 04 － 05 收稿 62 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期