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射流曝气的气液两相流的数值模拟
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摘　要　射流曝气在活性污泥处理方法中起着重要的作用。采用数值模拟的方法研究自吸式单级单喷射流器中的气
液两相流动状况,通过对不同长径比和喷嘴面积比的射流曝气器模型的气液两相流的计算,定量分析长径比和喷嘴面积比
对射流曝气器流场和空气与工作介质流量比的影响,为进一步设计开发新型高效的射流曝气器提供参考。
关键词　射流曝气器　气液两相流　数值模拟　长径比
中图分类号　X70313　　文献标识码　A　　文章编号　 (8205
The numer ica l simula tion of ga s2liqu id two2pha se flow in jet aera tionChenWeip ing　J iang Fan　Li Yuanyuan　L i Xiaoqiang
(College ofMechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640)
Abstract　The jet aeration is very important in activated sludge p rocessing. The numerical simulation ap2
p roach is used to study the gas2liquid two2phase flow status of single port self2p riming jet aerator. Different ratios
of length to radius and jet port area ratios of the jet aeratormodels are calculated with numerical simulation. The
influence of the ratio of length to radius and jet port area ratio on flow fields of jet aerator and flow ratio about gas
to actuating medium is analyzed quantitatively. The research results can be used as reference to design and de2
velop new types of high2effect jet aerator.
Key words　 gas2liquid two2
ratio of length to radius1　前　言
曝气在活性污泥处理方法中起着重要的作用。
曝气的方式有3种,由于射流曝气兼有充氧和推流作用,动力效率比转刷类曝气机高,维护比微孔曝气简单,所以在内循环氧化沟工艺中被广泛采用。早在20世纪40年代,国外就开始采用射流器作为污水生化处理的充氧设备。1947年,美国的Dow化学公司将射流曝气法用于规模为1815万m3 /d的污水处理厂[ 1 ] 。而到了20世纪五六十年代,国外对射流曝气法的应用就更多了,并逐渐成为继鼓风曝气和机械曝气后的第3类曝气法。国内对射流曝气法的研究和应用始于20世纪70年代,主要用在中小型污水处理装置中。
射流器实质上是一种集吸气和混合反应于一体的曝气设备,它通过液体射流对气体进行抽吸和压缩。由于射流器内部流体的运动属于气液两相流,而水和空气之间密度和热容相差很大,因而流动状态非常复杂[ 2 ] 。但在开发射流曝气器时,有必要了解其中的气液两相流动情况,特别是结构尺寸对气液两相流的影响。本文作者在射流曝气器的气液两相流数学模型研究的基础上,采用数值模拟的方法对自吸式单级单喷射流器中的气液两相流动状况进行研究,找出不同长径比对射流器中空气溶解性能的影响,给设计开发新型射流曝气器提供参考。
2　射流曝气的气液两相流的数学模型在自然界和工业技术中,两相流动(气固两相流、固液两相流和气液两相流)现象比较常见。大
约是19世纪末,人们已经开始注意到两相流的现象。20世纪初,在观察研究的基础上明确提出了两相流问题,之后,对两相流的研究渐渐地多起来。20世纪40年代,研究人员开始用统一观点系统地分析研究两相流。20世纪60年代以后,越来越多的学者探索描述两相流运动规律的基本方程。接着,有关两相流的专著和教科书的陆续出版,以及国际多相流杂志创刊,标志着两相流理论趋于成熟。近几
十年来,研究工作的特点是向瞬态过程、基本理论、应用数值计算方向发展[ 3 ] 。但大多数两相流研究集中在气固两相流和固液两相流研究方面,对气液两相流研究相对较少。气液两相流是指同时存在气液两种物质状态的流动,即气体与液体的混合流动[ 4 ] 。本文作者针对射流曝气过程的特点建立其数学模型。射流曝气器的几何结构如图1所示,采用柱坐标系,坐标原点在射流源点。
图1　射流曝气器的结构图
Fig. 1　Structure of jet aerator
2. 1　射流控制方程
射流曝气器曝气时,有压力的工作流体经喷嘴射出形成高速射流,在吸气室形成负压,将空气吸入,构成气液混合流经混合管和扩散管射到曝气池。
由于高速射流的存在,故射流曝气的气液两相流较普通的两相流复杂。在建立射流曝气的气液两相流数学模型时,先要考虑射流控制方程。射流曝气器喷嘴为圆形截面,应用边界层理论,对于自由淹没射流,
( p 为压力) ,并忽略粘性
切应力项,则得到基本微分方程[ 5 ]为:
式中, u,&r分别为轴向、径向时均分速度; x、r如图1所示,分别为轴向和径向坐标。
2. 2　两相流数学模型
射流曝气器喷嘴的液体高速喷射经过气室,裹带空气,在混合管中形成气液两相流。这种两相流是紊动两相流。应用连续介质定理,建立曝气器混合管中气液两相流的数学模型[ 5～8 ]如下:
式中, uL 、uG 分别为液、气体的轴向时均分速度;&rL 、&rG分别为液、气体径向时均分速度;x、r如图1所示,分别为轴向和径向坐标;&u&&&r为雷诺应力; p为气、液体的平均压力;&L 、&G分别为液、气体的密度;&L、&G 为液、气体的动力粘性系数。式(5)是张量表达式,其中, ui ui 在平面坐标系中为u u +&r&r,其他表达式类似; q2 = u&i u&i = u&2 +&&r
2。3　数值模拟计算
3. 1　求解算法
由于有限单元方法求解流动方程时,直接求解运动方程,并直接耦合求解连续方程,而且能适应复杂边界,计算简化,容易程序实现,故采用有限单元方法求解曝气器曝气两相流数学模型。求解时,先求解射流控制方程,然后在此基础上,再求解两相数学模型。
将式(8)代入式(9) 、(10) 、(11) 、(12) 、(13)得到如下的矩阵形式:[A ] {X} &+ [B ] {X} + [ P ] = {0} (14)式中, [A ]是与时间导数有关的系数矩阵(变量{X}的上标表示时间导数项) ; [B ]是关于变量的系数矩阵; [ P ]是离散方程中的满足边界条件和初始条件的已知矢量。上述过程是有限元方法求解流动方程的算法过程。
3. 2　几何模型
通过研究射流曝气器曝气过程两相流,分析曝气器的主要结构尺寸对曝气性能的影响,为曝气器的结构设计提供参考。主要就射流曝气器的混合管的长径比和喷嘴面积比对两相流流动影响进行数值模拟计算研究,选择表1所示的3种射流曝气器模型进行计算比较。
表1　模型的参数Table 1 　M odel param eters &&
模型号&d1 (mm) &长径比&喷嘴面积比&&
1 &58 &3. 6 &9. 3 &&
2 &42 &5 &4. 9 &&
3 &30 &7 &2. 5 &&
&　　备注:计算中, 3 种几何模型的其他尺寸不变&&&
3. 3　有限元离散模型
采用四边形网格对几何模型进行离散,单元离散时要注意: (1)单元形状不要畸变; (2)边界附近的网格密度要大。3种模型的离散后的有限元模型如图2～图4所示。各模型网格模型的的结点和单元情况如下:长径比316、喷嘴面积比913的射流器模型划分为1954个单元, 2110个结点;长径比5、喷嘴面积比419 的射流器模型划分为1965 个单元,2121个结点;长径比7、喷嘴面积比215的射流器模
型划分为1991个单元, 2147个结点。
图2　模型1的离散网格图
Fig. 2　Meshing grids ofmodel 1
图3　模型2的离散网格图
Fig. 3　Meshing grids ofmodel 2
图4　模型3的离散网格图
Fig. 4　Meshing grids ofmodel 3
　　射流器左端进口是工作介质水,上端进口是空气,其物性参数如表2所示。
表2　2种流体的物性参数( 20℃)
Table 2　Ma ter ia l physica l parameters of flu ids
物质密度 ( kg/m3 ) 分子量 比热 ( J /kg&K) 导热系数 (W /kg&K) 粘度( Pa&s)
水998. 2 18 4. 183 &103 0. 41 &10 - 3
空气1. 205 29 1. 005 &103 0.
　边界条件:液体水的入口速度为417 m / s,空气入口压力为0 Pa,射流器出口压力为水深压力(计算深度为2 m,压力为 Pa) ,其他外部边界速度为0 m / s。
4　计算结果分析
经过数值模拟计算,与文献[ 1 ]中的试验结果比较情况如表3所示,从表中可以看出计算结果与试验结果相近。
表3　计算结果与试验结果比较
Table 3 　Com par ison between ca lcula tion and exper im en ta l result &&
&项目&& 数值&&
模型号&&&&&& 1 & &2 &&&&& 3 &&
试验结果q 0. 83& 1. 10& &0. 86&
计算结果q&0. 87&1. 12&& &0. 89 &&
&　　说明:表中q为流量比,即空气体积流量Q q Q g 的比值&与工作水体积流量&&
　从图5～图13的计算结果中看出,以一定速度的工作介质经过喷嘴后,形成高速射流,将空气吸引入气室,混合成气液两相流经混合管和扩散管到达曝气池,完成曝气过程。对于3种不同长径比和喷
图5　模型1的计算流场矢量图
Fig. 5　Vector of flow field formodel 1
图6　模型2的计算流场矢量图
Fig. 6　Vector of flow field formodel 2
图7　模型3的计算流场矢量图
Fig. 7　Vector of flow field formodel 3
图8　模型1的计算流场等值线图
Fig. 8　Contour of flow flied formodel 1
图9　模型2的计算流场等值线图
Fig. 9　Contour of flow flied formodel 2
图10　模型3的计算流场等值线图
Fig. 10　Contour of flow flied formodel 3
图11　模型1的压力场等值线图
Fig. 11　Contour of p ressure flied formodel 1
图12　模型2的压力场等值线图
Fig. 12　Contour of p ressure flied formodel 2
图13　模型3的压力场等值线图
Fig. 13　Contour of p ressure flied formodel 3嘴面积比的射流曝气器结构,当长径比由小变大时,射流器内两相流的流场和压力场均发生变化,相应的导致流量比先是缓慢升高,然后急剧下降;当喷嘴面积比由小变大时,变化情况相反,流量比先是快速升高,再缓慢下降。通过对比3种不同曝气器模型的流场和压力场计算结果发现,当射流曝气器的长径比为5、喷嘴面积比为4. 9时,流量比最大,说明射流曝气器在该结构参数时能发挥较佳的曝气效果。
通过对射流曝气器两相流的数值建模,并采用有限元方法进行模拟计算,得到一些有益的结论,总结如下。
(1)计算结果与试验结果相近,计算结果可靠,能为射流曝气器的结构设计提供参考,并能对结构进行仿真计算,进行结构优化;
(2)采用有限元数值方法能有效地求解初边值问题,并能适应复杂边界问题的离散,是两相流数值模拟的有效方法;
(3)不同长径比和喷嘴面积比的射流器数值模拟计算,证实长径比和喷嘴面积比是影响射流曝气器性能的重要参数。当射流曝气器的长径比为5、喷嘴面积比为4. 9时,射流曝气器曝气效果较佳。
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Journal ofMagnetism and Magnetic Materials, :
资助项目:广东省科技攻关计划资助项目()
收稿日期: 2004 - 04 - 25; 修订日期: 2004 - 06 - 24
作者简介:陈维平(1959 ～) ,男,湖南株洲人,教授,博士生导师,主
要从事水环境力学数值模拟及其治理装备系统研究工作。
E2mail:mehjli@scut. edu. cn
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双联复吹转炉内气液两相流动的数理模拟研究
[硕士毕业论文]论文目录&摘要第1-4
页 ABSTRACT第4-7
页 1 绪论第7-18
页 　　· 选题的背景与意义第7
页 　　· 转炉双联复吹工艺的特点第7-8
页 　　· 转炉内气液两相流的特点第8-9
页 　　· 转炉双联冶炼工艺国内外研究现状第9-16
页 　　　　· 转炉双联冶炼法物理模拟研究现状第9-12
页 　　　　· 转炉双联冶炼法数值模拟研究现状第12-16
页 　　· 课题研究的主要内容第16-18
页 2 双联复吹转炉的物理模型实验方法第18-30
页 　　· 顶底复吹转炉水力学模型设计计算第18-21
页 　　　　· 基本原则第18-19
页 　　　　· 转炉模型的设计计算第19-20
页 　　　　· 顶底复吹喷头的设计计算第20-21
页 　　· 实体模型的制作第21-22
页 　　· 实验参数的确定第22-24
页 　　　　· 顶底复吹操作参数的确定第22-24
页 　　　　· 顶吹枪位及熔池液位的确定第24
页 　　· 实验装置及研究方法第24-27
页 　　　　· 实验装置第24-25
页 　　　　· 熔池混合均匀时间的测定第25-26
页 　　　　· 熔池冲击坑形状参数的测定第26-27
页 　　· 水力学模型实验内容及方案的确定第27-30
页 　　　　· 正交实验表第28-29
页 　　　　· 单因素补充实验第29-30
页 3 双联复吹转炉内气液两相流动的数值模拟方法第30-39
页 　　· 气液两相流的定义及相关参数第30
页 　　· 气液两相流数值模拟的基本方法第30-32
页 　　　　· VOF 模型法第30-31
页 　　　　· 混合模型法第31
页 　　　　· Eulerian 模型法第31-32
页 　　· 转炉双联冶炼熔池内气液两相流动状况的数学数学模型的建立第32-39
页 　　　　· 利用GAMBIT 建立用户的计算模型第32-36
页 　　　　· 利用FLUENT 软件模拟计算第36-39
页 4 转炉双联冶炼熔池流动状况的物理模拟结果与分析第39-56
页 　　· 气流对熔池的搅混作用第39-44
页 　　　　· 脱磷转炉熔池的搅拌混匀时间第39-42
页 　　　　· 脱碳转炉熔池的搅拌混匀时间第42-44
页 　　· 熔池的冲击深度第44-48
页 　　　　· 脱磷转炉熔池的冲击深度第44-46
页 　　　　· 脱碳转炉熔池的冲击深度第46-48
页 　　· 熔池的冲击直径第48-51
页 　　　　· 脱磷转炉熔池的冲击直径第48-50
页 　　　　· 脱碳转炉熔池的冲击直径第50-51
页 　　· 转炉熔池的液面波动第51-54
页 　　　　· 脱磷转炉熔池的液面波高第51-53
页 　　　　· 脱碳转炉熔池的液面波高第53-54
页 　　· 本章小结第54-56
页 5 转炉双联冶炼熔池内气液两项流动数值模拟结果与分析第56-89
页 　　· 转炉熔池内的液面波动第56-62
页 　　· 转炉熔池内的气液搅混作用第62-87
页 　　　　· 脱磷/脱碳模拟模型的底吹砖分布与氧枪第62-63
页 　　　　· 底吹供气软件布置数目、方式对转炉熔池内气液两相流动搅混作用.第63-69
页 　　　　· 氧枪枪位对转炉熔池内气液两相流动搅混作用第69-77
页 　　　　· 底吹供气强度对转炉熔池内气液两相流动搅混作用第77-87
页 　　· 本章小结第87-89
页 6 结论第89-91
页 致谢第91-92
页 参考文献第92-97
页 附录第97页
本篇论文共97页，。
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旋流自吸泵气液两相流数值模拟
前言:目前的数值模拟，对两相流中的各相，通常有两
种处理方法：一是将某相看成连续的，根据连续性理
论导出欧拉型基本方程，称为欧拉方法；二是将某相
视为不连续的离散型，对每个质点进行拉格朗日追
踪，称为拉格朗日方法．综合起来，对两相流动来说
存在着欧拉一欧拉、欧拉一拉格朗日、拉格朗日一拉
收稿日期：
基金项目：国家自然科学基金资助项目()
作者简介：王春林(1962一)，男，江苏盐城人，副教授(wangzha@pub．zj．jsinfo．net)，主要从事流体机械理论、特性及流动模拟研究
吴志旺(1982一)，男，河北沧州人，硕士生(wuzhiwang．com@163．corn)，主要从事流体机械理论、特性及流动模拟研究．
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排 灌 机 械 第27卷
格朗日等3种方法．在FLUENT中，共有3种欧拉一
欧拉多相流模型，即VOF模型、混合物模型和欧拉
模型．混合物模型可用于两相流或多相流(流体或
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