潜水搅拌机三维两相流的数值模拟
发布时间：2017-04-07 10:35:42 发布人：admin 浏览次数：925次
潜水搅拌机作为重要的污水处理设备，适用于曝气池、厌氧池等生化反应池，创建水流，加强搅拌，防止污泥沉积。由于潜水搅拌机搅拌效果的观测受实际条件的限制，污水处理构筑物中的流速难以测定，且通过。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22.5m之间，故建立简易沟渠模型，如所示。搅拌池尺寸为长YX宽XX高2 =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、模型二中搅拌机叶轮中心与池底距离均为1模型三、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1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1 RNGke湍流模型方程：数分别是第i相的体积分数、密度和漂移速度k为湍动能i为湍动能耗散率（，（分别表示k方程和e方程的湍流Prandtl数；pf表示混合物黏度与涡流黏度之和；G代表由平均速度梯度引起的湍动能生成项；尺为e方程中的附加源项，代表平均应变率对e的影响；CU和2￡为常数。
2.2网格划分与边界条件设置bookmark4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600mm，长200mm，网格单兀主要为四面体，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velodtrinlet，出口断面设置为outflow，自由液面采用对称边界条件，搅拌池中固定区域与旋转区域之间的交界面设置为interface.在Fluent6.3软件平台上，湍流模型选择RNGke湍流模型，搅拌模型采用滑移网格模型，两相流模型选择混合模型，固体颗粒沉降公式采用Veslnd公式。采用有限体积法对控制方程组进行离散，应用Simple算法进行速度压力耦合求解，各变量残差的绝对值小于10一4时计算收敛。
3数值模拟结果与分析bookmark6 3.1单相流的流速分布bookmark7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。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。为模型一单相流计算得出的流线图。
3的数值模拟bookmark8 2.1两相流基本控制方程bookmark9连续方程：动量方程：模型一流线图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。
搅拌池横截面速度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污水一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，一般为污水一污泥两相流。为模型单相流与模型二污水一污泥两相流同纵向截面速度分布云图。
由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污水一污泥两相流的密度分布污水一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。为模型二、三、四中与两边池壁等距的同纵向截面密度分布云图。
由可知，在搅拌机下游一段距离内，由于搅动半径小，m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，污水一污泥混合液的密度分布均匀。
4结语Flumt6.3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。
污水一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。
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，污水一污泥混合液的密度分布均匀。
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。
2.2网格划分与边界条件设置bookmark4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600mm，长200mm，网格单兀主要为四面体，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velodtrinlet，出口断面设置为outflow，自由液面采用对称边界条件，搅拌池中固定区域与旋转区域之间的交界面设置为interface.在Fluent6.3软件平台上，湍流模型选择RNGke湍流模型，搅拌模型采用滑移网格模型，两相流模型选择混合模型，固体颗粒沉降公式采用Veslnd公式。采用有限体积法对控制方程组进行离散，应用Simple算法进行速度压力耦合求解，各变量残差的绝对值小于10一4时计算收敛。
3数值模拟结果与分析bookmark6 3.1单相流的流速分布bookmark7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。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。为模型一单相流计算得出的流线图。
3的数值模拟bookmark8 2.1两相流基本控制方程bookmark9连续方程：动量方程：模型一流线图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。
搅拌池横截面速度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污水一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，一般为污水一污泥两相流。为模型单相流与模型二污水一污泥两相流同纵向截面速度分布云图。
由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污水一污泥两相流的密度分布污水一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。为模型二、三、四中与两边池壁等距的同纵向截面密度分布云图。
由可知，在搅拌机下游一段距离内，由于搅动半径小，m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，污水一污泥混合液的密度分布均匀。
4结语Flumt6.3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。
污水一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。
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，污水一污泥混合液的密度分布均匀。
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。
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