潜水离心式自引气曝气机

      曝气机主要用于污水处理厂的曝气池、曝气沉沙池，也可用于养殖塘增氧、农村小型污水处理装置和工业废水处理． 潜水自引气曝气机是一种高效、节能、环保的机械曝气设备，其特点是占地小，无臭气外溢，无水花外溅，无噪声等; 具有充氧、搅拌、混合功能．
 
        国外对曝气机的相关研究开展的较早，对曝气机的设计理论和曝气机理研究较深． Kim 等［1］于2005 年对水下曝气机的溶氧机理进行了分析． Wan-chai 等［2］，Deng［3］对出口扩散管的 2 种潜水曝气机进行了三维模拟． Deswal［4］，Verma 等［5］和 Ratkovic等［6］分别对曝气机各部件不同结构设计进行了试验研究分析通过优化结构设计来提高曝气机的溶氧量．
 
        国内对曝气机的研究在 20 世纪末还基本上是空白，进入 21 世纪以后，开始有企业进行相关产品的生产，许多高校和企业也开始对曝气机尤其是水下曝气机的设计理论和曝气机理进行研究． 高继飞等［7］应用 CFD 软件对自主设计的潜水射流曝气机进行模拟并与试验结果相对照． 陈同德［8］运用设计方法学和机械设计的原理对曝气机进行了总体结构和各零件的设计，并验证了设计的合理性． 施慧明等［9］应用流体力学计算软件 Fluent 对 3 种曝气机转轮的构型进行了模拟计算，并以试验了初步验证． 上述研究大都是针对下潜深度较浅的曝气机( 主要是射流曝气机) 开展了相关研究，对潜水自引气曝气机，尤其是深水型的潜水自引气曝气机的相关研究较少．
 
        目前国内市场上普遍采用的潜水自引气曝气机的曝气深度较浅，且曝气机的整体结构较大，整机的效率比较低，虽然维护费用低，但耗电率和制造成本依然很高． 因此，研究潜水曝气机的曝气机理，开发一种高效、低耗、下潜深度深的潜水自引气曝气机将具有重要的理论意义和广阔的市场前景．
 
1 潜水自引气曝气机结构与工作原理
 
1.1 潜水自引气曝气机的结构
 
        潜水自引气曝气机主要部件包括潜水电动机、轴、轴承、机械密封、支架、转轮、导叶、曝气盘、曝气管、进气管和消声器等，结构如图 1 所示． 它在水体底部充入空气，使空气混合到水体中，从而完成氧的气相到液相的转移过程。
 
        1.2 潜水自引气曝气机的工作原理潜水电动机通过轴带动转轮高速旋转产生强大的离心力，在离心力的作用下，转轮周围形成负压区，从而产生自吸力，通过吸气管将大气中的大量新鲜空气不断吸入，同时转轮又将水吸入混合室，利用转轮的动能在混合室里将一定比例的气水混合，在离心力作用下，气水两相流沿转轮的切线方向经导叶整流，向四周方向扩散，细碎的微小气泡充分与水融合，从而达到曝气充氧的效果．
 
        1.3 流体部件的设计及三维造型曝气转轮是曝气机内唯一做功的部件，潜水自引气曝气机的曝气转轮不但要吸入液体，而且还要吸入气体，对曝气转轮的设计应两者兼顾，因此文中用的潜水自引气曝气机为自主设计的开放式齿形转轮，叶片数为 4 片，开放式齿形转轮是指转轮内部是空的且转轮形状为类似齿轮形状． 这种转轮的特点是流量大、扬程低、效率高，同时还能够有利于气液混输． 导叶的形状根据转轮出口气液出流的情况设计为开式导叶，如图 2 所示．

2 数值计算
 
        2. 1 计算模型文中采用多相湍流模型中的广义形式，即分别在双流体各相 q 中引入 k － ε 湍流模型． 假设液相为不可压缩流体，气相为不可压缩理想气体，则式中: ρm为混合密度，kg /m3; v 为质量平均速度，m/s; p 为压力，Pa; μm为混合黏性系数，Pa·s; T 为温度，K; F 为体积力，N; n 为相数; αk为第 k 相的体积分数; ρk为第 k 相的密度，kg /m3; vdr，k为第 k 相的漂移速度，m/s．
 
2. 2 计算方法
 
        通过三维造型软件 UG 对曝气机水力部件进行三维造型，然后导入网格生成软件 Gambit 中划分网格，采用三维非结构四面体网格，对进水段、转轮、导叶、进气段和扩散管内流道分别进行网格划分，为了增强计算结果的稳定性，对进出口进行了适当的延伸，进水段流道网格数为 214 865，转轮网格数为267 550，导叶网格数为 187 289，进气段网格数为 44669，扩散管网格数为 187 152．
 
        假定进气量与进水量的体积比为 6∶ 4，先给定一定的进气量，然后根据进气量计算出进水量，进而分别计算出进气速度和进水速度． 假定进气量为 400m3/ h，则进水量为 267 m3/ h，进气速度为 6. 29 m / s，进水速度为 1. 46 m/s． 在相同进水量和进气量的情况下，分别模拟不同深度( 深度为 2. 5，3． 0，3. 5，4． 0，4. 5，5． 0，5. 5 和 6． 0 m) 时曝气机的性能．
 
        采用旋转坐标系的相关项进行边界设定，将旋转部件所在区域设置为旋转流体区域，以曝气机叶轮的额定转速给定旋转速度值，其他区域设置为固定坐标系． 此外，边界条件的设定对计算结果的影响至关重要，文中边界条件设定为
 
        1) 进口边界条件: 采用速度进口条件，即vin= Q / A， ( 3)式中: vin为进口速度; Q 为进口流量; A 为进口面积．假设进口速度垂直于进口截面．
 
        2) 出口边界条件: 采取给定扩散管压力出口的设置，即pout= ρgh， ( 4)式中: ρ 为水的密度; h 为扩散管出口水平中心线至水面的垂直距离。
 
        3) 壁面条件: 流动边界采用无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动［10 － 12］．
 
2. 3 计算结果及分析
 
        因为曝气机内气液混合情况较为复杂，本次模拟暂不考虑气液混合及气泡的变化情况，仅从内部速度矢量和压力分布 2 个方面进行研究． 为便于分析比较，定义水平垂直于叶片中心的截面为 A － A截面，截面分别通过转轮、导叶和扩散管的中心，因此能够比较全面的显示曝气机内部的速度矢量和压力分布变化情况．
 
        取曝气机下潜深度为 2. 5，3. 5，4. 5，5. 5，6. 5 m共 5 组模拟结果，分别在各模型中选取 A － A 截面，建立截面的速度矢量图和压力图． 5 组模型 A － A 截面的速度矢量图和压力图如图 3 所示．
 
3. 3. 1 整体分析
 
        由图 3 中各组模型 A － A 截面的速度矢量图可以看出，液体的高速区域位于转轮气液混合区域、导叶区域和扩散管进口区域． 液体流速由转轮进水口区域至转轮出口区域逐渐增大，在转轮出口与混气导叶进口的交接处速度达到最大值，之后开始递减．同样，由图 3 中 5 组模型 A － A 截面的压力图中可以看出上述的趋势． 从压力图中可以明显看出，各 A －A 截面中转轮区域均处于高压 ，转轮区域内压力从进口往出口逐渐增大，在转轮出口与混气导叶进口区域压力达到最大值，之后至扩散管压力逐渐降低．
 
2. 3. 2 比较分析
        由图 3a 中的速度矢量图中可以看出，转轮内部整体速度矢量比较混乱，在靠近各叶片进气口的区域和导叶出口出现了局部回流，从相应的压力图中可以看到，在靠近各叶片进口的区域有局部的低压区． 从图 3b，c 中可以看出，转轮内部整体速度矢量比较流畅，气体流入转轮与转轮内的液体混合的比较均匀，整个截面内速度和压力分布层次比较分明，在各叶片进气口处并没有发现局部的回流，高压区与整体面积比图 3a 大．
 
        从图 3d 中可以看出，当曝气深度增大到 5. 5 m时，A － A 截面区域内速度矢量相比图 3b，c 较混乱，但要比图 3a 流畅． 在图 3d 速度矢量图中的进气口区域和导叶出口存在小的回流区域，在相应的压力图中也可以看到有 3 个叶片进气口区域存在较小的低压区． 从图 3e 中可以看出，整个 A － A 截面区域内的速度矢量严重混乱，尤其是导叶和扩散管内，有明显的回流，在相应的压力图中也可以看到各叶片进气口处明显存在低压回流区域．
 
3. 3. 3 叶片工作面压力分布
        图 4，5 分别为下潜深度为 3. 5，4. 5 m 时转轮叶片工作面上的压力分布图分布曲线图． 从图 4 中可以看出，叶片工作面上的压力分布从叶片进口到叶片出口方向逐步增大，在叶片出口小区域内压力出现下降，在靠近叶片工作面出口部分，3. 5 m 时的压力分布要优于 4. 5 m 时的压力分布． 为了便于对 2个叶片工作面上的压力分布进行比较，分别在各叶片上均等取 3 条截线，并在每条截线上均匀取相同点，取相同截面位置的 3 点的平均值作为此截面的平均压力，2 个叶片上的平均压力分布如图 5 所示．从图中可以看出，3. 5 m 时叶片工作面上的最小压力为 － 38 348. 4 Pa，最大压力为 262 904. 7 Pa，最大压差为 301 253. 1 Pa; 4. 5 m 时叶片工作面上的最小压力为 － 29 217. 1 Pa，最大压力为 225 700. 7 Pa，最大压差为 254 917. 8 Pa，因为压差越大，转轮产生的自吸力越大，转轮吸入空气的能力会增强． 因此曝气机在下潜深度 3. 5 m 时吸入空气的能大于 4. 5 m时，曝气机性能在 3. 5 m 时达到最优．
 
3 性能试验
 
        3.1 试验装置
 
        试验装置所需如图 6 所示，其中泵参数综合测量仪用来精确测量电机的转速，风速仪用来测量进气管内进气速度．
 
        3.2 试验过程
 
        将曝气机、增压器、变频器、测风仪和电源连接好以后，按以下步骤进行:
        ① 将曝气机放入池中心，下潜一定深度并固定;
        ② 开启曝气机，调节电机到预定转速，测量进风管进气气流速度;
        ③ 等进气速度稳定在一定范围之内时，每隔 10 s 读取一次测风仪数值，取 10 次数值
        ④ 记录当前状态下电压、电流值;
        ⑤ 停止试验，关闭电源;
        ⑥ 调节曝气机到不同测试深度，并重复步骤② － ⑤． 试验过程如图 7 所示．

 
4 试验结果分析
 
        试验参数中 H 为曝气深度，m; d 为曝气管径，mm; U 为电压，V; I 为电流，A; P 为功率，k W; v 为进气速度，m/s; Q 为进气量，m3/ h． 试验结果如表 1所示．
 
        由表 1 可以看出曝气机随着曝气深度 H 的不同，进气速度 υ 不断变化． 下潜深度在 2. 5 ～ 3. 5 m时，随着下潜深度的增大，曝气机进气管口的进气速度不断增大，最大进气速度为 4. 25 m/s，进气量 Q为 270. 2 m3/ h; 在 3. 5 ～ 6. 5 m 范围内，随着下潜深度的增大，进气速度和进气量逐渐减小． 分析认为当曝气机下潜深度增大时，由于水压的作用曝气机进水口进水量逐渐增大，进水量增大后，曝气转轮出口处因转轮离心力产生的负压增大，转轮的自吸能力增强． 因为曝气转轮吸入的空气是靠转轮的自吸力来实现的，随着转轮自吸能力的增强，进气量也不断地增大． 但转轮进气量的增大并不是一直随着进水量的增大而增大，当进水量增大到一定程度时，由于转轮出口面积的限制，在转轮出口处阻塞一部分空气进入，因此，进水量和进气量有一个最佳的比例值，当进水量超过这个值时，进气量便会因部分水体的阻塞而减少． 由表 1 可以看出，曝气机的进水量和进气量的最佳比例在下潜深度为 3. 5 m 时的比例，超过 3. 5m 时，进水量增大，进气量便会减小．
 
        与上述模拟结果对比分析，模拟结果中曝气机的速度矢量、压力分布性能的变化趋势与试验数据所显示的进气量变化趋势比较吻合，因此，所建立的数学模型可以用来对曝气机内部流动情况进行模拟，可作为曝气机优化设计的验证依据．
 
5 结论
 
        通过对潜水自引气曝气机的数值模拟和性能试验，得出以下结论:
        1) 液体的高速区域位于转轮气液混合区域、导叶区域和扩散管进口区域． 液体流速由转轮进水口区域至转轮出口区域逐渐增大，在转轮出口与导叶进口的交接处速度达到最大值，之后开始递减．
        2) 转轮进水区域内压力从进口往出口逐渐增大，在转轮出口与导叶进口区域压力达到最大值，之后至扩散管压力逐渐降低．
        3) 潜水自引气曝气机进水量和进气量存在一个最佳的比例，确定这个最佳比例值，可使曝气机工作在最佳状态，文中设计的曝气机的最佳曝气深度为 3. 5 m．
        4) 模型内部区域的速度矢量和压力分布变化情况与试验测试的曝气机进气性能变化情况趋势相同，证明模拟结果对曝气机性能的预测是可行的．