前一节我们针对不同曝气管间距对流场结构的影响进行了分析，认为10m／s的通气速度过大。在本节中，我们将针对通气速度对曝气效果的影响做出分析。如果只是简单地增大或减小通气速度，肯定会对曝气池内的空气含量造成直接的影响。因此在这一节里，我们将结合上一节的分析，在曝气量不变的条件下，增大曝气孔的直径，减小通气速度，再来研究曝气池内部流场的变化。通过分析各物理参数的变化规律，以典型截面和核心区域的气体体积变化规律，试图找出效果最好的曝气池物理参数。
10.7.1 曝气孔孔径的选择
在10.6节的分析中，我们采用的曝气孔孔径为0.6mm，通气速度为10m／s。这种情况下空气在水中的停留时间较短，不利于曝气池的运行。鉴于我国生产的平板型微孔空气扩散装置（HWB－1型、HWB－2型和BYW－1型等），其平均孔径在100～200μm，而穿孔管空气扩散装置的孔径在3～5mm，我们将在原孔径的基础上，将孔径扩大为1.2mm、1.8mm、2.4mm。为了保证通气量不变，相应的通气速度分别为2.5m／s、1.11m／s、0.625m／s。在保证通气量和进水口流量前提下，分别计算3种孔径下的气－液两相流场，以研究曝气孔孔径对池内流场的影响。由于在10.6节中我们对空气和水的速度进行了讨论，结论是速度差异不大，且速度的大小决定了紊动动能的变化。因此在这一节里面，我们只针对气相体积分数以及紊动动能的变化进行讨论。
10.7.2 不同通气孔径对流场的影响
在改变通气速度和通气孔孔径以后，各计算工况见表10－3所示。
表10－3 曝气池运行参数统计表
结合上一节关于不同曝气管间距变化的相关讨论，在这一节里，我们将对不同孔径以及不同曝气管间距的情况下，各个物理参数的变化做统计分析。分析的区域为沿z轴方向0.1～0.22m范围。评价曝气池运行状态的一个很重要的指标是氧转移量。在10.6节的讨论中我们知道，不同曝气管间距条件下气体体积分数的变化规律基本相同，但如果改变通气速度以后，得到的结果可能会有差异；并且，气体体积分数是评价氧转移效率的一个非常重要的指标。因此，不能忽略曝气管间距对气体体积分数的影响。
（1）气体体积分数的变化规律
图10－28（a）、（b）、（c）分别显示了曝气管间距为0.1m、0.13m、0.15m时，不同孔径条件下气体体积分数沿池深方向的变化规律。
图10－28 气相体积分数变化
从图10－28可以看出，沿曝气池池深方向气体体积分数逐渐增大。这是由于随着气体的上升，曝气池水深减小，气体受到液体的作用减小，空气在水中散开，分布范围变得更广，气体体积分数也随之增大。这与10.6节的结论相似。同时可以看到，气－液两相流场受曝气管排列间距的影响，同一孔径下气体体积分数增大的幅度不一样。综合分析3个曲线的变化规律可知，在曝气管间距为0.13m时，不同孔径下气体体积分数之间的差异非常小，几乎可以忽略不计。因此我们认为，曝气管间距为0.13m时，曝气管布置对流场的干扰很小，且在同等条件下，孔径为1.2mm时，气体的体积分数比孔径为1.8mm和2.4mm时大。这说明孔径越小，通气速度越大，气相体积分数相对越大。在一定范围内，通气速度是影响曝气效果的一个重要的因素，增大通气速度对曝气效果有促进作用。
（2）紊动动能的变化规律
图10－29（a）、（b）、（c）分别显示了曝气池内3种曝气管间距下液体紊动动能沿z轴的变化规律。紊动动能的大小反映了曝气池内气－液两相之间混掺的剧烈程度。曝气池内的混掺运动主要是因为气体带动水进行循环流动，由于通气速度相对较小，所以计算得到的紊动动能值也很小。
从图10－29可以看出，曝气管间距的变化对紊动动能变化影响比较小。在间距为0.1m和0.13m时，紊动动能有较小的差别。而在3种孔径下，孔径最小时，紊动动能相对最大。在间距为0.13m时，3种孔径下紊动动能值几乎没有区别。因此，从紊动动能的变化规律也可以看出，间距为0.13m时，曝气管对流场的影响很小。
图10－29 紊动动能变化图
为了对曝气效果的差异进行量化的判断，我们将各种工况下曝气池内的物理参数变化做统计分析。表10－4至表10－6分别显示了在曝气量相同的情况下，曝气管间距分别为0.1m、0.13m以及0.15m不同曝气孔径下典型区域的物理参数变化规律。其中，气相体积分数表示核心区域总的体积分数变化，而气相、液相平均速度以及紊动动能平均值表示整个核心区域的平均值。
表10－4 曝气管间距为0.1m时计算结果统计表
表10－5 曝气管间距为0.13m时计算结果统计表
表10－6 曝气管间距为0.15m时计算结果统计表
从图10－28中可以看出，不同曝气管间距下气相体积分数的差别较小。而从表10－4至表10－6中统计的数据可以看出，孔径为1.2mm时的气体体积分数比孔径为1.8mm和2.4mm时有明显提高。从表10－5中可以看出，曝气管间距为0.13m时，3种孔径下的气体体积分数差别相对较小，这也再一次说明了在这种情况下，曝气管布置间距对流场的干扰最小。
10.7.3 不同曝气管间距、同一孔径下曝气池内流场的变化规律
（1）气体体积分数的变化规律
图10－30（a）、（b）和（c）所示分别是孔径为1.2mm、1.8mm和2.4mm时不同曝气管间距下气体体积分数的变化规律图。从图10－30（a）可以看出，在孔径为1.2mm时，曝气管间距为0. 1m和0.13m时气体体积分数的变化基本一致，与曝气管间距为0.15m时的变化有明显差别。从图10－30（b）中可以看出，孔径为1.8mm时，由曝气管间距变化引起的气体体积分数变化非常小，可忽略不计。而图10－30（c）则反映出不同曝气管间距之间气体体积分数变化的明显区别。比较图10－30（b）、（c）与图10－30（a）可以看出，随着孔径的增大，通气速度变小。气体在接近顶面时体积分数相对减小。并且当曝气孔径为1.8mm时，曝气管间距对体积分数变化的影响很小。
图10－30 空气体积分数变化图
为了更加精确地比较出不同孔径和间距下曝气池的曝气效果，我们将这3种情况下各参数变化情况进行统计，详见表10－7、表10－8、表10－9所示。
表10－7 孔径为1.2mm时计算结果统计表
表10－8 孔径为1.8mm时计算结果统计表
表10－9 孔径为2.4mm时计算结果统计表
（2）紊动动能的变化规律
图10－31所示为不同曝气管间距以及不同的孔径下曝气池内紊动动能沿水深方向变化规律图。
从图10－31可以看出，在孔径为1.2mm、1.8mm和2.4mm的情况下，曝气管间距为0.13m时紊动动能相对最大。其中，在孔径为1.2mm，曝气管间距为0.13m和0.15m时，紊动动能差别很小，可忽略不计。在孔径为1.8mm和2.4mm时，3种曝气管间距下紊动动能的大小有微小的差别，且都是在曝气管间距为0.13m时紊动动能相对最大。这和前面分析中得出的结论是一致的。综合考虑图10－31（a）、（b）和（c）的变化规律还可以发现，在增大通气孔孔径和通气速度减小以后，紊动动能的变化受曝气管布置方式的影响也相应减小。可见，相比曝气管间距的变化，通气速度的改变对流场的影响更大。因此，我们有必要就通气速度对流场的影响做进一步的讨论。
图10－31 紊动动能变化图
10.7.4 曝气孔布置密度对流场的影响
在10.7.2和10.7.3节中，我们对不同间距和不同孔径下曝气池内流场的变化进行了分析。分析结果为：在曝气管间距为0.13m时，曝气管排列间距对流场的干扰很小，在这种间距下曝气池内气液混合比较均匀，并且孔径为1.2mm时的紊动动能值最大，曝气效果也较好。这一节里，我们将在上一节的基础上，不改变曝气管间距的大小，仅增加曝气孔的数量，降低通气速度（保证通气量相等），来研究曝气孔数量对流场的影响。增加通气孔的数量，相当于增加了气体与液体的接触面积，这更有利于氧气的转移和扩散，对污水处理的效率也有较大的改变。
与10.7.3节的分析类似，我们选择典型区域内气体体积分数和紊动动能的变化作为分析指标。在通入空气流量一定时，增加了曝气孔的数量，使过流面积增大，因而通气速度减少。而曝气池内液体的流动主要考虑由通入的空气带动引起的，因此，通气速度的减小对池内液体的运动将产生较大的影响，所以在这一节里，我们选择各个截面的液相平均速度作为另一个参考变量。
图10－32所示为不同孔径下增加通气孔数量以后的气体体积分数比较图。从图中可以看出，在通气量不变的情况下，增加通气孔数量以后，空气在水中的分布比较均匀。在通气孔数量较少的情况下形成的气柱较宽，这是由于通气速度相对较大，在水中引起的波动也较大，因此形成的气柱比较稳定，在水面区域的影响也更为剧烈。而增加通气孔数量以后，虽然形成的气柱较细，但影响范围更广，空气扩散更均匀，曝气池中生物化学反应的接触面积增大，这种情况更有利于氧气的转移。同时，我们还可以观察到在进水口附近气相体积分数比较高，说明在进口处的流速对空气在水中的扩散有一定的影响，并且这种影响随着水流向右运动而逐渐减小。
增加通气孔数量以后，必然会使曝气池内的流场产生较大的改变，尤其是在速度减小以后，由空气带动水进行流动的速度将会减小。
图10－32 气相体积分数比较图
如图10－33所示，增加通气孔数量以后，不同孔径下液体平均速度沿水深的变化差异不明显，说明增加通气孔数量以后，在这个通气速度范围内，通气速度的变化还不足以引起液体流动速度产生明显的差异。
图10－34所示为在不同孔径下紊动动能随水深的变化规律图。从图中可以看出，与液相速度沿水深的变化规律类似，在不同的孔径下，计算得到的紊动动能的变化规律基本一致，差异可以忽略不计。由此说明，这3种不同的通气速度，对整个曝气池紊动程度的影响没有明显的差别。这一结论也可以从对图10－33速度变化规律的总结得到。
图10－33 液相速度变化规律图
图10－34 紊动动能变化规律图
观察图10－32可知，不同通气孔数量下空气的分布规律有明显的差异。图10－35所示为不同通气孔径下计算得到的典型区域气体体积分数随水深的变化规律图，由图可以看出，在不同的孔径下，气体体积分数的变化趋势一致，但是计算得到的数值有明显差别，具体表现为通气孔径越小，通气速度越大，计算得到的气相体积分数越大。
图10－35 气体体积分数变化图
为了更加准确地表示出增加通气孔数量以后曝气池中空气的分布情况，有必要对同一孔径、不同通气孔数量下的流场变化进行更加全面的分析。图10－36（a）、（b）和（c）分别显示了孔径为1.2mm、1.8mm和2.4mm增加通气孔数量与原通气孔数量下气体体积分数随水深的变化规律。
图10－36 气体体积分数比较图
从图10－36可以看出，在增加孔径数量以后，气体体积分数有明显的提高，具体表现在水深为0.19m以上区域。这是由于在接近自由水面处，空气受到静水压力减小，而通气孔布置较密，使得空气在这一区域的扩散范围增大，所以空气所占的体积分数也比较大。
从上面的分析可以知道，增加通气孔数量以后，曝气池内部流场产生了较大的改变。为了更加精确地表示出增加通气孔数量以后不同孔径下曝气池内部的流场变化，有必要对典型区域内物理参数的变化规律做统计分析，详见表10－10所示。
表10－10 不同通气孔数量物理参数统计表
从表10－10中可以看出，气体体积分数随孔径大小变化非常明显，在孔径为1.2mm时气体体积分数比孔径为1.8mm时提高31.8％，比孔径为2.4mm时提高40.8％。而在不同孔径下，液相平均速度、气相平均速度以及紊动动能变化却不明显。
10.7.5 不同通气速度对曝气池内流场的影响
在10.7.3节中，我们确定了曝气管横向排列的最佳间距为0.13m。在相同的通气量条件下，孔径越小，通气速度越大，计算所得到的气体体积分数值越大，曝气效果越好。增加曝气孔数量后，在同一孔径下气体体积分数也相应增大。而在增加通气孔数量以后，气体体积分数也随着通气速度的增加而增加。在增加通气量和速度以后，气体体积分数增加的幅度也是一个需要考虑的问题，空气的体积分数不可能随着通气速度的增大而无限制地增加。在这一节里，我们将保持通气孔数量（指通气孔数量增加1倍以后的数量）以及孔径（1.2mm）不变，通过增大通气速度，就通气速度对曝气池内部流场的影响进行研究，确定出通气速度对流场各物理参数产生的具体影响。
在10.6节的分析中，我们认为选取通气速度为10m／s显得过大，因为空气在水中的运动接近直线运动，空气在曝气池中的停留时间太短，不利于氧气的转移以及曝气池内生物化学反应的进行，且通气速度过大会直接导致曝气成本的增加。因此，这里在确定通气速度大小时，结合前面的模拟分析，选择1.25～7.5m／s速度范围进行讨论，通气速度具体分别定为1.25m／s、2. 5m／s、3.75m／s、5m／s、6.25m／s和7.5m／s。
图10－37所示为在典型区域内不同通气速度下空气体积分数随水深的变化规律图。从图中可以看出，在1.25～7.5m／s范围内，气相体积分数随着通气速度的增加而增加，这与前面的讨论结果类似。但是在速度为6.25m／s和7.5m／s两种情况下，计算得到的气相体积分数差别不大，说明在这一区域内空气体积分数不会随着通气速度的增大而无限增加，通气速度对空气体积分数的大小有较大的影响，但两者之间不是线性关系。
图10－37 不同通气速度下空气体积分数变化规律图
图10－38所示为典型区域内不同通气速度下计算得到的空气体积分数值和拟合曲线（二次样条曲线）比较图。从图中可以看出，通气速度与空气体积分数的关系为近似二次曲线关系，其中在通气速度为7.5m／s附近取得最大值。说明就这个模型而言，由于在通气速度为7.5m／s的基础上继续增大通气速度，对空气体积分数的变化不会产生很明显的影响，且考虑到通气成本以及气泡停留时间的影响，所以通气速度不宜继续增大。
图10－38 空气体积分数随通气速度变化规律图
图10－39所示为典型区域内不同通气速度下紊动动能沿水深的变化规律图。从图中可以看出，通气速度越大，计算得到的紊动动能越大。但是在不同的通气速度下，紊动动能的区别较小，对比图10－37可以看出，在这一速度范围内，典型区域内紊动动能比空气体积分数受通气速度的影响要小。
图10－39 不同通气速度下紊动动能变化规律图
不同的通气速度下，计算得到各种物理参数也不同。表10－11所示为不同通气速度下计算得到的物理参数统计表。我们在前面已经对紊动动能和气体体积分数进行了详细的分析，因此针对这几种速度，这里只对液相平均速度和气相平均速度进行分析。从表10－11中的数据可以看出，随着通气速度增加，曝气池中气相和液相的平均速度均增大，且通气速度越大，气相和液相之间的速度差异越明显。
表10－11 不同通气速度计算物理参数统计表
通过以上分析可知，在确定的通气速度范围内，气体体积分数随通气速度增大而增大，但增大的范围有限。综合分析各个通气速度下的数据可知，在通气速度为7.5m／s左右很小的范围内，气体体积分数达到最大值。因此，我们可以得出以下结论：以论文中所建立的曝气池为基础，曝气管间距为0.13m、曝气孔孔径为1.2mm为最佳的选择，并且在这种物理参数下，通气速度在7.5m／s左右曝气的效果最好。
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