上流式水轮曝气机CFD仿真分析

关键词：曝气机；多相湍流；水体含氧量；曝气机效率
中图分类号：TP391.9
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.005
文章编号：1006－0316 (2018) 06－0032－06
CFD Simulation Analysis of Upflow Turbine Aerator ZENG Mengwei1，XUE Bo2，LIN Hua1，YUE Ting1
( 1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu 610063, China; 2.China Quality Mark Certification Group Sichuan Co., Ltd., Chengdu 610014, China ) Abstract：The three-dimensional modeling of the aerator hydraulic is created to ensure the performance of the aerator to meet the design requirements. Based on the k-ω multiphase turbulence model, ANSYS CFX finite element simulation software is used to simulate the internal flow field of the aerator. In the process, the paper analyzes the diffusion process, mass transfer process and gas-liquid two-phase flow theory. The velocity profile and pressure distribution chart of the flow field inside the aerator are obtained. Two main technical indexes of the oxygen content of the aerator and the aerator efficiency are calculated. The results show that the two technical indexes, which are obtained from numerical simulation of three-dimensional multiphase turbulence through computational fluid dynamics, meet the design requirements. The research finding provides reference and guidance for the optimal design of the aerator. Key words：aerator；multiphase turbulence；oxygen content in liquid；aerator efficiency
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收稿日期：2017－12－26 作者简介：曾梦玮（1989－），女，四川自贡人，本科，工程师，主要研究方向为机械设计制造及计算机辅助设计。
机械 2018 年第 6 期 第 45 卷
设计与研究
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达到去除河流黑臭的效果。 本次分析以自主设计的上流式水轮曝气机
为研究对象，通过理论分析和仿真模拟相结合 的方法，研究在曝气机作用下水流的含氧量及 曝气机的效率是否达到设计需求。
1 曝气机结构原理
νd
= −DL
dC dx
（1）
式中：νd 为扩散速度；DL 为扩散系数；C 为物
质浓度；x 为开始过程的距离；dC/dx 为浓度的
梯度。
流动方向
转轮
现有的普通水轮机结构顶盖
导叶底环 蜗壳
尾水管
蜗壳 底环 导叶
转轮
图 1 普通水轮机结构
本项目采用的上流式水轮曝气机结构如图 2 所示，是在现有水轮机结构的基础上，取消 水轮机尾水管，使其采用垂直向上流道和接近 尾水表面的开放出流。这种水轮机结构具有以 下优点：采用向上开放出流，尾水直接接触大 气，增加水体中的空气融入；转轮出来的剩余 的动能使得尾水与大气发生剧烈的搅拌，从而 改善出口水流的通气状况；建设和维护的时间 和成本降低。
随着科技发展及人口增加，人类社会对水 资源的压力不断增大，污水治理成为世界各国 关注的问题。近年来对河流污水处理普遍采用 的方法是通过机械设备往水体中曝气，也就是 强制充入纯氧或空气，使水体不断与氧气或空
气接触，提高水体中的溶解氧的比例。曝气机 是一种应用于污水处理系统中的节能环保新型 设备，通过曝气机的作用，增加空气融入，加 快水中有机物的分解，增强河流的自身净化水 平，降低藻类植物以及厌氧菌在水体中的繁殖，
通过对扩散过程、传质过程和气液两相流理论的分析，利用 ANSYS CFX 有限元仿真软件，对曝气机的
内部流场进行数值模拟。得到曝气机内部流场的速度分布图和压力分布图，计算了曝气机作用下的水体
含氧量及曝气机效率两项主要技术指标。结果表明，利用计算流体动力学进行三维多相湍流数值模拟得
到的两项技术指标均能达到设计需求，为曝气机优化设计提供了参考和指导。
2 曝气过程相关理论
2.1 扩散过程
扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓 度差，物质分子从浓度较高的一侧向着较低的 一侧扩散、转移。扩散过程中的基本规律可以 用菲克定律[1]概括，即物质的扩散速率与浓度 梯度呈正比关系：
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设计与研究
机械 2018 年第 6 期 第 45 卷
上流式水轮曝气机 CFD 仿真分析
曾梦玮 1，薛波 2，林华 1，岳婷 1
（1.四川省机械研究设计院，四川 成都 610063； 2.方圆标志认证集团四川有限公司，四川 成都 610014）
摘要：为保证曝气机的性能满足设计要求，对曝气机水力模型进行三维建模，基于 k-ω 多相湍流模型，