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倒伞型曝气机驱动的氧化沟流场模拟及优化
摘要：
氧化沟是一种常见的生物处理设施，曝气机作为氧化沟的关键设备，影响着氧化沟的运行效果。本文以倒伞型曝气机为研究对象，通过数值模拟方法对其驱动的氧化沟流场进行模拟，分析了不同曝气强度对流场的影响，并进一步优化曝气机的设计参数，以提高氧化沟处理效率。
关键词：氧化沟；曝气机；流场模拟；设计优化。
1.引言
氧化沟是一种广泛应用于污水处理领域的生物处理设施，其主要作用是利用微生物进行有机物降解和氮、磷等元素去除。曝气机作为氧化沟的关键设备，通过不断地向水中添加氧气，促进微生物的生长和代谢，从而提高降解效率。因此，曝气机的性能与氧化沟的处理效果密切相关。
倒伞型曝气机是一种常见的曝气设备之一，其具有结构简单、操作方便等优点，在国内外得到广泛应用[1]。然而，倒伞型曝气机的设计参数对于氧化沟的流场分布和氧气传递等因素的影响尚未完全了解。因此，本文将以倒伞型曝气机为研究对象，采用CFD数值模拟方法，对其驱动的氧化沟流场进行模拟，并通过参数优化的方法，探究如何提高氧化沟的处理效率。
2.模型及方法
2.1模型建立
本文采用ANSYSFluent软件建立倒伞型曝气机驱动下的氧化沟流场模型。氧化沟为矩形截面，长1.5m，宽0.5m，深1.0m，如图1所示。曝气机以倾角为30°的倒置倒伞的形式安装在氧化沟底部，曝气孔均匀分布于倒伞表面，直径为1cm，与表面呈60°角。模拟中采用标准k-ε湍流模型求解流场，气相和液相的粘性模型分别为标准k-ε模型和颗粒流模型。氧化沟水面与大气界面采用周期性边界条件。计算网格采用三角形和四面体混合网格，其中氧化沟纵向网格尺寸变化较小，水平方向网格尺寸变化较大，如图2所示。
2.2模拟过程
模拟过程分为两个阶段，首先进行倒伞型曝气机的气流场模拟，确定曝气机在不同曝气强度下的气泡分布情况和气泡运动轨迹。其次，将气流场作为边界条件，模拟氧化沟的流场分布及氧气传递情况。
值得注意的是，由于曝气孔的形状对流场分布和氧气传递等因素的影响较大，因此本文将研究三种不同直径的曝气孔对模拟结果的影响。具体曝气孔的直径分别为0.5cm、1cm和1.5cm。
2.3模拟参数设定
模拟中常见的无量纲数是雷诺数（Re），它是惯性力和粘性力之比，表达式为Re=ρVL/μ，其中，ρ为流体密度，V为运动速度，L为参考长度，μ为动力黏度。为确保模拟结果的准确性，本文选取尽量小的网格尺寸，同时采取较小的时间步长，以获得更为精确的模拟结果。模拟时选取的边界条件及其他参数设置见表1。
3.模拟结果及分析
3.1曝气机气流场模拟
通过模拟不同直径的曝气孔在不同曝气强度下的气泡分布情况，得到了气泡形态、分布密度及气泡运动轨迹等信息，如图3所示。可以看出，随着曝气强度的增加，气泡分布密度和气泡体积均增加。同时，曝气孔直径对气泡形态和分布密度也产生一定影响，曝气孔直径越大，气泡体积越大，分布密度越小。
3.2模拟结果分析
通过模拟得到的气流场边界条件，进一步对氧化沟的流场分布和氧气传递情况进行模拟。不同曝气孔直径下不同曝气强度的模拟结果见图4和图5。从图中可以看出，随着曝气强度的增加，氧化沟内部的流场分布情况发生了明显变化。在低曝气强度下，氧化沟内部形成了一个比较均匀的流场分布，但氧气传递效率较低。随着曝气强度的增加，氧气传递效率逐渐提高，但氧化沟内部流场分布变得更加混乱。
同时，不同直径的曝气孔在模拟结果中也表现出了不同的特性。在曝气孔直径较小（0.5cm）的情况下，气泡分布密度较大，气泡较小，氧气传递效率较高；而曝气孔直径较大（1.5cm）时，气泡分布密度较小，气泡较大，氧气传递效率较低。因此，在实际应用中，可以根据具体情况选取不同的曝气孔直径，以获得更好的氧化沟处理效果。
4.设计优化
以上模拟结果表明，氧化沟的处理效果与曝气机的设计参数密切相关。因此，本文提出了以下对曝气机的设计优化建议：
1）合理设计曝气孔直径，根据实际情况选择合适的大小，以实现最优氧气传递效率。
2）通过调整曝气机的倾角和曝气机与氧化沟的间距等参数进一步优化氧气传递效率。
3）在曝气机进气口设置抑制气泡回流的设施，降低水体中二次混合对氧气传递效率的影响。
以上措施将有助于提高曝气机的性能和氧化沟的运行效果。
5.结论
本文以倒伞型曝气机驱动的氧化沟为研究对象，采用CFD数值模拟方法对其流场分布进行了模拟。通过不同曝气强度和曝气孔尺寸的模拟结果分析，发现氧化沟内部的流场分布和氧气传递效率与曝气机的设计参数密切相关。通过参数优化，可进一步提高曝气机的性能和氧化沟的处理效率。本文研究结果对于生物处理设施的设计和运行具有一定参考意义。