基于氣泡流模型的曝氣筒內(nèi)外流動特性數(shù)值模擬.pdf

1、人工曝氣裝置普遍應(yīng)用于處理微污染水體。曝氣利用氣泡流帶動流場內(nèi)水體運(yùn)動,進(jìn)而達(dá)到攪動水體和復(fù)氧的目的。國內(nèi)外實驗表明曝氣對于脫氮除磷以及人工控藻具有重要作用。但是,對于大型水庫以及湖泊的曝氣研究,實驗手段具有一定的局限性,因而采用數(shù)值仿真手段研究曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生的流場,可以優(yōu)化控制參數(shù),從而實現(xiàn)對微污染水體的有效控制。
　　本文利用 Comsol Multiphysics數(shù)值模擬軟件,研究曝氣產(chǎn)生的氣液兩相流運(yùn)動。在已有數(shù)值模擬研究中

2、,多采用等效流量法,即用單相流替代實際的多相流。這一模擬方法雖然簡化了模型,但忽略了氣液兩相間的作用,與實際情況不符,模擬的精確性降低。氣泡流模型則屬于兩相流模型,考慮了兩相之間的相互作用,具有更高的精確性。
　　本文以氣泡流模型為基礎(chǔ)開展了如下研究:
　　首先,模擬了二維矩形裝置中不同氣速下的流場,并與已有實驗圖像進(jìn)行對比,驗證氣泡流模型模擬曝氣的可行性。結(jié)果表明,隨著進(jìn)氣速度的增大,流場從自由氣泡流逐漸向受限氣泡流過渡,

3、兩側(cè)壁面對流場的影響越來越明顯;在中等 Re數(shù)下由于流動會失穩(wěn),此時不宜簡單采用對稱邊界,而在小 Re數(shù)和極大 Re數(shù)下,流動為對稱結(jié)構(gòu),此時對稱邊界是適合的邊界條件。
　　其次,模擬了曝氣筒內(nèi)部的受限氣泡流流動以及它對曝氣筒外圍流場的影響。在內(nèi)筒液速分布研究中,將模擬結(jié)果與已知大氣量情況下的彈狀流實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,表明氣泡流模型可在一定程度上替代彈狀流,但需對流速進(jìn)行修正。在筒外流場研究中,分別考慮了距離流場底部不同高度處的液速

4、分布、氣體體積分?jǐn)?shù)分布以及不同氣速、不同曝氣方式對流場的影響。結(jié)果表明距離流場底部越高,則流場液速越大,氣體體積分?jǐn)?shù)越小;氣速越大則流場內(nèi)液速越大,影響區(qū)域越廣;在單位時間曝氣強(qiáng)度相同的前提下,分段曝氣產(chǎn)生的液速較連續(xù)曝氣產(chǎn)生的液速略大。
　　最后,研究了受限氣泡流對于溫度分層流場的擾動。結(jié)果表明隨著筒內(nèi)速度的增加,溫度分層水體達(dá)到均勻混合所需的時間越短。但當(dāng)筒內(nèi)速度超過一定值后,進(jìn)水速度繼續(xù)增加,不同溫度水體達(dá)到混合所需時間幾乎