曝气管布置方式对流场的影响研究

传统的推流式曝气池为廊道形，污水从池的一端流入，在水流的推动下，沿池长方向流动，并从池的另一端流出池外。推流式曝气池多采用鼓风曝气系统，也可以采用表面机械曝气装置。其中，鼓风曝气系统由空气扩散装置和一系列连通的管道组成，空气压缩机将空气通过一系列管道输送到安装在曝气池底部的空气扩散装置，经过扩散装置，使空气形成不同尺寸的气泡。由于曝气过程中高能量的输入，曝气管的布置方式对曝气池内部流场产生很大的影响，而不同的流场结构对氧转移效率、气泡停留时间以及污水处理系统的运行都具有很大的影响。下面将采用欧拉多相流模型，针对曝气管不同的布置方式对流场的影响进行分析。

10.6.1 网格疏密对计算结果影响的分析

虽然曝气孔孔径与曝气管尺寸以及整个曝气池尺寸相比显得非常小，但是曝气孔附近的流场对整个流场的影响却非常大，所以对曝气孔附近的网格密度以及网格质量要求也就比较高。如果网格质量不高，很容易导致计算过程中出现发散现象。因此，对整个曝气池进行网格划分是一项非常重要而且细致的工作，网格质量的好坏将直接影响模拟结果的精确性。网格尺寸的大小对计算时的离散误差也具有很大的影响。网格尺寸越小，对模型的捕捉便越细致，方程离散产生的误差就越小。但是，过密的网格对计算时间和成本要求较高，同时，网格太密会产生更多的截断误差。因此，应综合考虑计算成本以及计算结果精确性的要求，有必要对网格尺寸以及数量进行量化估计。如果在一定网格数量范围内，模拟结果的偏差较小甚至可以忽略不计，则模拟的结果才具有可信度。本文针对文献中的相关实验，并采用该实验中的模型尺寸进行模拟。其详细参数见表10－1所示。

表10－1 曝气池几何参数

由于曝气孔相对于整个模型区域而言非常小，体型很不规则，而且网格密度非常大，因此对整个曝气池区域采用分块划分网格的方法：把曝气孔附近单独分出区域进行划分，在这一区域采用非结构网格划分，而其余区域全部采用结构网格。曝气池模型区域和网格划分见图10－15～图10－17所示。其中，图10－16（a）、（b）分别为曝气池横向、纵向的截面网格图，图10－17为曝气池的三维网格图。

图10－16 曝气池网格划分横向和纵向截面示意图

图10－17 曝气池网格划分示意图

采用3种不同的网格密度对曝气池进行模拟。网格密度由稀到密，其中Grid 1网格数量为181558，Grid 2网格数量为225008，Grid 3网格数量为310224。模拟采用的边界条件以及紊流模拟见表10－2所示。

表10－2 边界条件设置

采用3种不同的网格尺寸进行网格划分，模拟采用的方法均相同。到计算稳定后，比较在不同网格密度下得到的动力学参数，确定出合适的网格数量范围，以进一步减小网格数量对模拟结果造成的误差。图10－18（a）、（b）、（c）分别表示3种网格密度下曝气池内部气相体积分布规律。从这3个图中可以看出，在不同的网格密度下，曝气池模拟出了比较稳定的气柱，气体体积分数变化也比较一致。这说明用这种网格划分方法可以模拟出曝气池内部的气液流动特性。为了定量地比较网格密度差异对模拟结果的影响，选取沿z轴方向的截面平均速度进行比较。

图10－18 不同网格密度下气相体积分数分布

图10－19（a）、（b）分别表示不同的网格密度下气相和液相的平均速度沿垂向不同深度的变化规律。Grid 1，Grid 2，Grid 3分别表示3种不同的网格密度，其网格密度逐渐增大。从图10－19（a）、（b）中可以看出，网格密度对物理参数的变化具有较大的影响。在第三种网格密度下，模拟得到的结果与前两种有明显的区别，尤其是截面液体平均速度的区别最大。而前两种网格划分得到的结果基本一致。因此可以认为，在前两种网格数量范围内，网格数量的多少对计算造成的误差可以忽略不计。在后面章节中，对曝气池内不同工况的模拟均采用第二种密度进行网格划分。

图10－19 不同网格密度下计算结果比较图

10.6.2 曝气池的模型建立与网格划分

在前一节对网格密度进行验证时，忽略了进水口和出水口，但是在曝气池运行工况计算中则不能忽略。气体从通气孔进入曝气池内部，在池体内部停留一定时间，与污水进行反应以后从顶部溢出；而污水从左侧进水口流进，在池内与底部通入的空气接触，充分反应以后从出水口流出，其中进口为淹没进口，出口为堰流。运行示意如图10－20所示。从整个运行过程可以知道，这是一个稳态的流动过程。因此，在计算过程中，可以通过监测进水口与出水口的流量平衡来判断计算收敛情况。当进水口的流量和出水口的流量达到平衡以后，就可以认为整个过程达到了稳定。我们选择收敛以后的物理状态进行动力学分析。

图10－20 曝气池运行示意图

曝气池模型区域与网格划分见图10－21所示。图10－21（a）、（b）、（c）所示为曝气管间距分别为0.1m、0.13m、0.15m时沿水流垂直方向的截面网格图，采用结构网格和非结构网格进行划分。在曝气孔附近，由于体型比较复杂，网格的划分要非常细，因此在通气孔附近区域采用非结构网格（四面体）进行划分。曝气管以上区域均采用结构化网格进行划分。图10－21（d）、（e）所示为曝气池整体网格划分及通气管网格划分示意图。

图10－21 网格划分图

10.6.3 不同曝气管间距对曝气池内流场的影响分析

在曝气池模型建立过程中，虽然曝气管的间距不同，但通气孔为对称均匀分布。在沿水流方向，每隔0.15m布置1个通气孔，通气孔排列相互平行。因此在沿水流方向，通气孔呈对称分布。图10－22（a）、（b）、（c）所示为沿水流方向，不同曝气管间距下水深为0.15m时的水流速度分布图。从这3个图中可以看出，在所选取的截面上，3种间距下计算得到的物理参数是沿水流方向均匀分布的，除进口方向附近受到进水口影响外，在每个曝气孔附近水流速度沿程变化基本一致。这说明整个区域内计算达到了稳定的状态。并且可以看出，在不同的曝气管间距下，曝气池内的循环流动也呈对称均匀分布。

图10－22 液相速度变化图

我们对曝气池内整体的流动规律做了简要分析，得知曝气池中的循环流动基本是对称分布的。为了体现在不同间距下流场的差别，根据流动的对称性，我们只截取沿水流垂直方向x＝0.15m处截面的流场进行分析。

图10－23（a）、（b）、（c）所示为曝气管间距分别是0.1m、0.13m以及0.15m时在水流方向x＝0.15m的流线图。从这3个流线图可以看出，在不同的曝气管间距下均出现了对称的环状流动。但是，不同的间距下环状流动的形成有所差别。在间距为0.1m时，两股气流产生的循环流在中间相互影响，使得两排管中间区域的环状流动相互影响，两边靠近池壁的环流对中间的环流的形成有明显的挤压作用，这种情况不利于气体的均匀扩散。而在间距为0.13m和0.15m时，形成了4个形状基本相同的环流，环流之间没有明显的干扰，说明在这种情况下，曝气池中循环比较彻底，污水的循环流动也比较均匀。这种情况更有利于空气在曝气池中的传播，曝气池中氧气的利用效率更高。而这仅仅是从流场变化方向对不同间距下曝气池内的流动进行的简单分析。为了更加明确地说明曝气管间距对流场的干扰，我们还有必要对曝气池内各物理参数的变化规律做进一步的分析，这将在下一节里进行讨论。

图10－23 流线图

图10－23所示为3个不同间距情况下的流线图。从图中可以看到，在沿通气孔的垂直方向，流线分布几乎为直线，表明通气速度比较大。气体在曝气池内的停留时间比较短，而通气速度对空气在水中的分散也有较大的影响。为了使空气在液体中停留时间延长，增加气液混合时间，同时减小由于增大通气速度而增加的成本，使得气体更均匀地扩散，我们有必要研究通气速度的变化对曝气效果的影响。

10.6.4 不同曝气管间距对曝气池内部物理参数的影响分析

传统的推流式曝气池多采用鼓风曝气系统，其做法是将空气扩散装置安装在曝气池廊道的一侧，使得水流在池内呈旋流状流动，以提高气泡与混合液的作用时间。若曝气池宽度较大，应考虑将空气扩散装置均匀地安装在廊道的两侧。第一种方式为旋转推流式曝气池，第二种为平移推流式曝气池。

曝气管是曝气池中的空气扩散装置，其安装位置的变化对曝气池内部流场将产生较大的影响，因气液混合时间改变，进而影响污水处理的效率。在本文所模拟的曝气池中，采用两排曝气管对池体进行曝气。曝气管安装在池体底部，距离池体5mm，气孔均匀地布置在曝气管顶部。下面就曝气管间距变化对流场的影响进行模拟分析。

前一节我们已经对曝气管网格划分进行了阐述。曝气管间距是指并排曝气孔中心之间的距离，这里分别为0.1m（等间距）、0.13m、0.15m。本文中所模拟的曝气池中，曝气管管径为0. 07m，曝气池有效水深为0.225m。由于受曝气管的尺寸以及布置位置的影响，在曝气池底部0.1m范围内含气率和气相、液相速度变化不明显，而在自由水面附近，受到顶面空气的影响，气体体积分数变化很大。因此，我们沿池深方向选取从z＝0.1m开始到z＝0.22m范围的区域进行分析。前面一节中，在沿水深方向0.1m以上区域均采用结构网格进行划分。根据数值模拟的思想，在计算中以网格节点上的数据表示该网格区域的数据，而在这一区域里，沿水深方向每一层网格均为等厚度。因此，我们对沿z轴的每一层网格选取多个截面，并确保沿z轴每一层网格厚度截取2个截面以上的数据表示截面，并采用这2个截面上的数据来表示截面所代表的网格节点的数据。对每一个截面上的数据做统计平均，分别计算各截面的气相和液相速度、紊动动能以及气体体积分数等物理参数。

为了更直观地表示曝气管间距对物理参数的影响，我们分别制作了曝气管不同间距下各截面气相体积分数图（图10－24）、气相平均速度变化图（图10－25）以及液相平均速度变化图（图10－26）。

从图10－24中可以看出，在通气速度为10m／s时，在3种曝气管布置间距下计算得到的气相体积分数没有明显的差别，说明在该速度下曝气管布置间距对气相体积分数的影响很小，可以忽略不计。造成这种结果的原因可能是由于通气孔的孔径太小，通气速度过大，导致空气在曝气池中停留时间过短，不同曝气管布置方式对流场的干扰时间很短。这也可以从前面对不同间距下的流线图的分析来验证，具体的原因将在下一节中作进一步讨论。

图10－24 气相体积分数变化图

图10－25、图10－26分别显示了气相速度和液相速度的变化规律。由于气相和液相之间的滑移速度很小，因此计算得到的变化规律也基本相同，具体表现为越接近自由水面，速度越大。这是由于在接近自由水面时，空气逐渐排出，且受到的静水压力比较小，空气沿平面散开，这也是沿水深方向气相体积分数逐渐增大的原因。而在曝气孔附近，由于气体排出速度较大，气泡没有分散，形成了稳定的气柱，气体与液体没有完全混掺，使得截面平均含气率较小。

图10－25 气相平均速度变化图

图10－26 液相平均速度变化图

图10－27显示了在不同的布置间距下紊动动能随水深的变化规律，因为紊动动能的大小与速度密切相关，所以其变化规律和速度的变化规律类似，也是沿水深方向逐渐增大。从图10－27可以看出，在间距为0.13m时，紊动动能的值相对较大，说明在这种情况下，曝气池内的气、液混合更好，更有利于氧气的扩散转移。

综合分析上述4个不同变量的变化规律，结合前两节的分析可以知道，在间距为0.13m时，虽然空气的体积分数变化和其他两种没有明显的区别，但是在对其他几个物理参数的分析中不难发现，间距为0.13m时的曝气效果更好。关于通气速度对空气体积分数的影响，我们将在下一节中继续讨论。

图10－27 紊动动能变化图