倒伞曝气机内部流动分析及曝气性能研究

摘要

本文的研究是在国家重点研发计划（2016YFB0200901）的资助下开展的。倒伞曝气机广泛应用于污水处理工艺中，具有结构简单、作用面积大和动力效率高等优点。其流动涉及水跃、卷吸和波破碎等复杂流动，同时其曝气性能受叶轮转速、叶轮浸没深度、叶片数等参数的影响较大，使得在内流分析和曝气性能预测等方面存在很多亟待解决的难题。为了揭示倒伞曝气机流动机理并建立倒伞曝气机曝气性能预测方法，本文采用理论分析、试验测试和数值模拟相结合的方式对倒伞曝气机的运行特性和曝气性能进行深入研究。
　　本研究主要内容包括：⑴在搭建倒伞曝气机高速摄影试验台的基础上，对倒伞曝气机驱动的曝气池流动情况进行了研究。研究发现：水跃扬起的液体主要来源于辐板上侧，液体从辐板上侧前一个流道滑移到下一个流道后经叶片工作面抛射而出；叶轮旋转时会在叶片背面形成低压区，并卷吸大量空气，空气起始于辐板下侧叶片背面，紧贴辐板呈三角形分布。⑵结合高速摄影试验，采用VOF法（Volume of Fluid Method）对倒伞曝气机进行三维非定常数值模拟。结果表明：液面波动最先出现在叶轮附近，随后向壁面传播直至液面出现整体波动，自由液面速度由中心逐渐向壁面增大。中截面环流漩涡的变化与液面波动相一致；倒伞曝气机对浅层液体的搅动作用明显强于底层液体，湍动能也比较大；深水区流体主要由倒伞曝气机的提升力带动，该层流体流动平缓湍动能低。⑶开展了倒伞曝气机曝气性能试验，研究了不同转速、液位高度、叶片数、浸没深度等参数对曝气性能的影响。结果表明：在曝气池液位高度不变、叶轮与液面持平的情况下，标准氧总转移系数和标准充氧能力与转速成正比，而标准动力效率与转速没有明确的关系；浸没深度对倒伞曝气机曝气性能的影响与转速的大小有关，在低转速时，浸没深度对标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率的影响较小；在高转速时，标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率随着深度的增加而增强；转速保持恒定时，倒伞曝气机的标准氧总转移系数随着液位高度的增加而降低，标准充氧能力和标准动力效率的变化趋势则相反；叶片数对倒伞曝气机曝气性能影响较小。⑷基于量纲分析法建立了倒伞曝气机曝气性能预测模型，解决了缩比样机无法预测原模型曝气性能的问题。结果表明：倒伞曝气机的改进吸收数和动力效率数仅与弗劳德数有关；大尺寸倒伞曝气机标准充氧能力和标准动力效率的预测值与实测值相差不大，标准充氧能力的最大相对预测误差为2.56%，平均相对误差为1.39%；标准动力效率的最大相对预测误差为6.14%，平均相对误差为4.05%。表明本文所建立的曝气性能预测模型精度较高。

目录

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主要符号说明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 倒伞曝气机研究现状

1.3 自由表面捕捉方法

1.4 氧传质理论

1.5 本文主要研究内容

第二章 倒伞曝气机自由液面捕捉及试验研究

2.1 研究模型及数值模拟方法

2.2 试验对象与装置

2.3 数值模拟及试验结果分析

2.4 本章小结

第三章 倒伞曝气机曝气性能影响参数的试验研究

3.1 曝气性能测试系统

3.2 试验方案及试验步骤

3.3 曝气性能的评价方法

3.4 试验数据处理

3.5 曝气性能影响参数分析

3.6 本章小结

第四章 基于量纲分析的倒伞曝气机曝气性能预测模型

4.1 量纲分析基本理论

4.2 倒伞曝气机曝气性能量纲分析

4.3 量纲分析试验装置

4.4 基于量纲分析的曝气性能预测模型

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及取得的成果