潜水搅拌机三维两相流的数值模拟

1模型的建立
 
        为了达到对潜水搅拌机的真实模拟，根据潜水搅拌机的实际尺寸，利用Pro/E维造型软件，通过柱坐标建点，连点成线，再由弧线组成曲面，对曲面进行拉伸切割实体化等处理，建立叶片为圆盘形的潜水搅拌机二维模型，如图1所示。搅拌机叶片直径为400mm，转速为740r/min，定义搅拌机叶轮中心为坐标原点。由于搅拌机常用于氧化沟内水流的推流，而采用转刷曝气器的氧化沟深度多介于2^-2.5m之间，故建立简易沟渠模型，如图2所示。搅拌池尺寸为长Y*宽X*高Z=8000mmX2000mmX2000mm，左端为进水口，右端为出水口，搅拌机叶轮中心距左端进水口1m，与两侧池壁距离均为1m。模型一、模型二中搅拌机叶轮中心与池底距离均为1mo模型二、模型四中搅拌机叶轮中心与池底距离分别为0.6和0.4m。模型一介质为清水，密度为1000kg/m³。模型二、模型三与模型四介质均为污水一污泥两相混合液，主相污水密度为1000.35kg/m³，第二相污泥密度为1051掩/m³。
 
２　基于Fluent6.3的数值模拟
 
２.１　两相流基本控制方程式中：


 
        式中Ｓ是源强；ρm，ｖm，μm分别是混合物密度、速度和黏度；τ是压力应变张量，采用Boussenesq假定；Ｆ是体积力；ｎ是相数；αｉ，ρｉ，ｖｄｒ·ｉ分别是第ｉ相的体积分数、密度和漂移速度；ｋ为湍动能；ε为湍动能耗散率；σｋ，σε分别表示ｋ方程和ε方程的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；μｅｆｆ表示混合物黏度与涡流黏度之和；Ｇｌ代表由平均速度梯度引起的湍动能生成项；Ｒε为ε方程中的附加源项，代表平均应变率对ε的影响；Ｃ１ε和Ｃ２ε为常数。
 
２.２　网格划分与边界条件设置
 
        计算区域分为两部分，其中一部分为包裹搅拌机的圆柱体，其直径为6600mm，长200mm，网格单元主要为四面体，配以少量的六面体、锥形体和楔形体，网格间距为13mm；剩下的区域网格单元主要为六面体，配以少量的楔形体，靠近圆柱体的网格间距为30mm，其余部分网格间距为８0mm，网格总数量为２７４万个。搅拌池的池底、侧墙和潜水搅拌机叶片表面采用无滑移壁面边界条件，进口断面设置为ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ，出口断面设置为ｏｕｔｆｌｏｗ，自由液面采用对称边界条件［９］，搅拌池中固定区域与旋转区域之间的交界面设置为ｉｎｔｅｒｆａｃｅ。２.３　模型选择与求解方法在软件平台上，湍流模型选择ＲＮＧｋ－ε湍流模型，搅拌模型采用滑移网格模型［１0］，两相流模型选择混合模型，固体颗粒沉降公式采用Vesilind公式。采用有限体积法对控制方程组进行离散［１１］，应用Simple算法进行速度压力耦合求解［１２］，各变量残差的绝对值小于１0－４时计算收敛。
 
３　数值模拟结果与分析
 
３.１　单相流的流速分布若搅拌机应用于氧化沟中，氧化沟内的平均流速为0.３m／ｓ左右［６］。潜水搅拌机的推流性能可由其轴向推进流速与径向搅动半径判定。图３为模型一单相流计算得出的流线图。图３　
 
        模型一流线图Fig.3　Streamline diagram of model １由图３可以看出，水流在潜水搅拌机的推动作用下形成纵向运动并伴随着与纵向垂直的涡旋运动，靠近叶片尖端处水流速度大，靠近轮毂处水流速度小。图４是模型一清水介质下搅拌机下游三个不同位置横截面速度分布云图。由图４可以看出水流径向形成中间速度大外围速度小的搅动圆环，随着与搅拌机距离增加，搅动圆心处的流速逐渐减小，但搅动半径却逐渐增大，并且水与池壁撞击反弹形成水流。搅拌机下游６.７５m处搅拌机形成的扰动半径达到最大，搅拌范围扩展至整个搅拌池横截面。
 
３.２　污水－污泥两相流的流速分布实际污水处理设备中的水流并非单相流，一般为污水－污泥两相流。图５为模型一单相流与模型二污水－污泥两相流同一纵向截面速度分布云图。由图５中模型一与模型二中与两边池壁等距的同一纵向截面位置处的速度分布云图可以看出，两个模型中搅拌机的纵向推动作用都能达到搅拌池的出口，推进距离满足设定的搅拌池长度要求，纵向流速达到0.３m／ｓ，推流效果满足实际要求。由于搅拌池中介质的不同，同一搅拌机形成的流速分布有所不同，模型二两相流流速小于模型一单相流流速，模型二中流速在１m／ｓ以上的高流速区也比模型一小。模型一与模型二的径向搅动半径无明显区别，都随着水流推进距离的增大而增大。
 
３.３　污水－污泥两相流的密度分布污水－污泥混合液的密度与污泥含量有关，污泥含量越高混合液的密度越大。由于污泥的密度大于污水的密度，在重力的作用下会形成沉淀，在搅拌池的低流速区沉淀会更加明显。图６为模型二、三、四中与两边池壁等距的同一纵向截面密度分布云图。由图６可知，在搅拌机下游一段距离内，由于搅动半径小，污泥在池底形成沉积，搅拌机正下方位置污泥的沉积现象更为明显。随着与搅拌机的距离增大，搅动半径增大，池底污泥的沉积现象逐渐减弱。当搅拌机叶轮中心与池底距离减小至６m时，池底的流速变大，沉积的污泥被高速水流带起，搅拌机正下方污泥沉积现象改善明显，但在低流速区依然存在污泥沉积现象。当搅拌机叶轮中心与池底距离减小至0.４m时，搅拌池已无明显污泥沉积现象，污水－污泥混合液的密度分布均匀。


 
４　结　语
 
（１）Fluent6.3能较好地模拟圆盘式叶轮搅拌机的搅拌性能，圆盘式搅拌机对水流轴向推动距离大，能满足设定的搅拌池长度要求，形成的搅动半径随水流的推进距离增大而增大。
 
（２）污水－污泥混合液中潜水搅拌机的轴向推进流速与清水单相流相比有所减小，形成的流速在１m／ｓ以上的高流速区长度变短。在搅拌机下游一段距离内，由于搅动半径小，污泥在池底形成沉积，搅拌机正下方位置污泥的沉积现象更为明显。
 
（３）降低潜水搅拌机的安装位置后，搅拌机在搅拌池池底形成的流速变大，污泥沉降变弱。当搅拌机叶轮中心与池底距离减小至0.４m时，搅拌池已无明显污泥沉积现象，污水－污泥混合液的密度分布均匀。
 
（４）潜水搅拌机在结构简单的池体中形成的水流运动的特点和规律，可供对潜水搅拌机在复杂构筑物中形成的水流运动的研究以及潜水搅拌机的安装位置提供参考。