自吸式三支管射流曝气器数值模拟及试验研究

【摘要】曝气充氧是污水生化处理的核心过程,也是污水处理系统的能耗大项。曝气器作为曝气工艺系统的核心,其结构及充氧效果直接影响了曝气工艺系统的整体性能。相对其他类型曝气器,射流曝气器具有结构简单、能耗低、传质高效及掺混充分等特点,能够很好的满足曝气工艺系统对曝气器的要求。但国内外现有射流曝气器的动力效率普遍较低,限制了射流曝气的进一步推广应用。因此,本文围绕污水处理领域对高效率射流曝气器的巨大需求,开展了自吸式三支管射流曝气器数值模拟及试验研究。本文的主要研究内容如下：1.提出了一种自吸式三支管射流曝气器,其最重要的创新点是：在传统射流曝气器混合管末端设置三个辐射状分布的支管取代普通的扩散管；其益处为：液气射流经分流锥头切割分流后,形成三股分离的混合射流分别进入三个辐射状分布的支管,可以有效避免气泡并聚融合为大气泡逸出水体,从而提高吸入空气利用率；同时辐射状分布的支管可增大曝气作业面积并充分搅动水体,从而进一步提高整体充氧效果,达到较高的动力效率。2.采用基于VOF模型的CFD数值模拟方法对自吸式三支管射流曝气器的工作过程进行了非稳态分析,研究得到了自吸式三支管射流曝气器工作过程中内部的相分布、两相流流速及压力分布变化。数值模拟结果表明：自吸式三支管射流曝气器的液气混合作用主要发生于支管段,在此段湍流紊动剧烈且会形成漩涡流动,使液气两相混合均匀。通过将试验测试结果与数值模拟结果进行对比发现：工作水入口处的模拟压力值与实测压力值相比误差为2.2%,模拟速度值与实测速度值(通过流量换算得到)相比误差为3.95%；这表明数值模拟结果正确可靠。3.采用正交试验方法对影响自吸式三支管射流曝气器性能的各结构参数进行了试验研究,获得了低功耗工况下曝气器各结构参数与理论动力效率的关系,结果表明：①自吸式三支管射流曝气器各个结构参数对理论动力效率Ep的影响程度高低顺序为：喉管—喷嘴面积比m→吸气室—喷嘴面积比n→喉管长径比k→分流锥头锥角β→喉管—支管夹角α,其中m、n影响作用高度显著；②试验条件下最优结构参数组合是：m=2.56,n=11.56,k=4,α=40°,β=40°,对应的理论动力效率Ep=2.34kgO2/(kw·h);③面积比m与n之间存在较显著的交互作用,其显著性程度低于两者各自作用的水平,但高于k、β、α的独立作用水平;m、k之间存在交互作用,其交互作用水平与β接近。
【作者】李鹏鹏；
【导师】陈建能；
【作者基本信息】浙江理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】射流曝气器；自吸式；三支管；VOF模型；CFD数值模拟；正交试验；交互作用；

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