穿孔管曝气效率的三维数值分析_周靖

第22卷第3期河南城建学院学报Vol．22No．32013年5月JournalofHenanUniversityofUrbanConstructionMay．2013收稿日期:2013－02－19第一作者简介:周靖(1986－)，女，安徽池州人，硕士，安徽工业大学工商学院士助教。文章编号:1674－7046(2013)03－0027－05穿孔管曝气效率的三维数值分析周靖1，谢庆举2，杨晶博3(1．安徽工业大学工商学院，安徽马鞍山243002;2．安徽欣创节能环保科技股份有限公司，安徽马鞍山243000;3．中国城市建设研究院，北京100120)摘要:曝气池的设计及运行是影响活性污泥过程工作效率的主要因素之一。运用FLUENT软件对曝气装置为穿孔管的曝气池内气液两相流动进行了三维数值模拟，对比了相同曝气量条件下不同数量孔眼下的曝气效率，在本文所模拟的工况下采用四孔穿孔管曝气时曝气效率最高。关键词:穿孔管;曝气效率;三维数值模拟;FLUENT中图分类号:TU992．3文献标识码:A活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理主要方法［1］。曝气池的设计及运行是影响活性污泥过程工作效率(处理效率和经济效益)的主要因素［2］。本文将从气相体积分数、气液两相速度流场及湍动能分布三个方面出发综合分析曝气效率。迄今为止，国内外已有不少学者将数值模拟技术应用于曝气池的研究:Karama等［3］、Cockx等［4］、毛劲乔［5］、张小可等［6］、罗玮等［7］、肖浩飞［8］等、张从菊等［9］均从曝气效率的角度出发，对优化曝气池的设计提供了理论依据，但却未针对某种曝气装置，在相同能耗(曝气量)的前提下分析其曝气效率，反映曝气效率的特征值考虑也不够全面，本文将从这一方面着手全面分析穿孔管曝气时不同孔眼数量对曝气效率的影响。1数学模型利用FLUENT软件提供的双欧拉模型及标准k－ε湍流模型对曝气池内气液两相湍流流动进行数值模拟［10］，通过体积分数反应气液两相所占的空间，总体积为1，各相分别满足动量守恒定律，动量方程为:t(αqρqvq)+!·(αqρqvqvq)=－αq!p+!·τq+∑np=1(Ｒpq+m·pqvpq)+αqρq(Fq+Flift，q+FVm，q)(1)FLUENT软件中提供的标准k－ε湍流模型符合曝气池内气液两相湍流流态，因此湍动能k这一参数被用来反应曝气池内气液两相的混合程度，k方程［11］为:ρdkdt=Xiμ+μiσ()kkX[]i+Gk+Gb－ρε－YM(2)2物理模型根据实际工况，本文模拟的曝气池规格为1m×0．5m×1m，水深0．7m。曝气装置为管径40mmDOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2013.03.004的穿孔管，横放在池底一侧的中心位置处。曝气孔为圆形在穿孔管两侧45°方向间隔80mm均匀分布，孔眼直径为4mm，随着孔眼数量的不断增加管长也随之增长。曝气量为7．54×10－4m3/s，故单孔时，孔口空气流速为60m/s，双孔时，孔口空气流速为30m/s，三孔时，孔口空气流速20m/s，四孔时，孔口空气流速为15m/s，五孔时，孔口空气流速为12m/s，六孔时，孔口空气流速为10m/s。图1y=0．25m截面示意图3计算结果与分析由于模拟的曝气池中存在曝气管圆柱体、曝气池立方体与曝气孔圆形等多种结构，因此本文采用适应性较好的四面体网格，并在曝气管附近区域局部加密以提高计算精度。孔口处设为气相速度入口，沿45°方向垂直于孔眼表面。由于FLUENT只能显示某个面上的气相体积分数，而本文只针对有一根曝气管的曝气池进行气液两相流数值模拟，且曝气管位于曝气池纵向中心处，所以选择曝气管放置的纵向中心截面即y=0．25截面为观测面，对比不同孔眼数量下，曝气池内气相分布及湍动能数值分布情况，所取截面示意图如图1所示。单孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图2、图3、图4所示。双孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图5、图6、图7。三孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图8、图9、图10。四孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图11、图12、图13。五孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图14、图15、图16。82河南城建学院学报2013年5月六孔截面处气相体积分数分布云图、气相速度矢量图、液相速度矢量图如图17、图18、图19。从不同孔眼数量下的气相体积分布云图2、图5、图8、图11、图14、图17可以看出，在相同的曝气量92第22卷第3期周靖，等:穿孔管曝气效率的三维数值分析下，随着穿孔管上孔眼数量的增多，孔口空气流速降低使得孔口处气相体积分数减少，但