《武汉工程大学学报》 2020年02期
231-236
出版日期：2021-01-26
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
三相混合器内部流场的数值模拟
气浮技术是一种利用高度分散的微气泡作为载体粘附污水中的污染颗粒形成混合絮凝体，使得絮凝体的浮力大于其自身重量和上浮阻力，从而上浮至污水表面，达到分离浮选效果的分离方法［1-2］。气浮领域中，由于加压溶气技术在加压条件下空气溶解度大，并且能产生足量的微气泡，能够满足不同要求的多相混合介质的分离，因此应用最为广泛［3］。然而传统的加压溶气气浮技术采用接触式附着方式，该技术对絮体颗粒与气泡直径要求高，絮体之间容易发生托附现象，极细的气泡很难保持，随着压力的降低，气泡迅速膨胀，难以附着在污染物颗粒上［4］。实际生产过程中加压溶气气浮技术一般经过加压溶气系统、气泡释放系统和悬浮物去除系统等系统步骤，操作复杂过程繁琐［5-6］。为了提升气浮系统的浮选性能，本文基于气体能量混合管理（gas energy mixing management，GEM）溶气气浮技术设计了1种三相混合器装置［7］。三相混合器通过其特殊结构引入弱旋流场，将气浮旋流一体化技术结合应用于污水处理领域［8-9］。该装置能够对液体、悬浮物、溶解空气进行充分混合，并完成高压空气溶解、药剂分子拉伸、混凝絮凝搅拌、絮凝形成、气泡晶核成长和超轻中空絮体形成等一系列步骤。其原理是通过三相混合器，直接在废水中完成化学药剂的投加和加压溶气过程，随着压力的降低，饱和溶气在絮体内部和周边生长成大量微气泡，微气泡的生长挤压絮体中的水分，气体和固体絮体形成多孔中空形态，含水率降低并且自身比重越来越轻，在不借助外力的作用下自行上浮［10-11］。较于常规溶气气浮技术，三相混合器气浮技术产生的气泡直径小数量多，且分布范围集中，粘附效果更佳，形成的絮体结实且含水率低，因此气浮分离效果更佳［12］。目前，工业应用中只能应用经验公式对三相混合器内部流场进行分析，由于混合器内部流场为气液固三相介质混合的弱旋流流态，难以运用精确的数学公式对其复杂流场进行描述。本文将利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟技术，对三相混合器充气前后的内部流场进行分析，并引入群体平衡模型对混合器内部气泡分布特征进行研究，探究三相混合器的工作性能［13-15］。1 数学模拟与计算方法1.1 几何模型及网格划分根据三相混合器的结构建立如图1（a）所示的混合器几何模型结构示意图。三相混合器主体结构由内筒、外筒、污水入口、充气入口和出口5个部分组成，其中内筒上对称分布有6组与内筒内壁相切的涡流通道，流体通过涡流通道后切向进入混合器后在腔壁的作用下形成旋流场。为了直观地对混合器内部的流场进行分析，选取不同截面处的流场进行研究，取混合器出口Z0=0截面为参考截面，分别选取Z1~Z5截面为混合器研究截面，其截面选取示意图如图1（b）所示。应用数值计算前处理软件ICEM对模型计算域进行网格划分，根据混合器模型的结构特点，对混合器模型进行了非结构网格划分，划分后的混合器网格示意图如图1（c）和图1（d）所示，其中图1（c）为混合器整体网格示意图，图1（d）为局部放大网格示意图。网格共划分了190 069个节点和 557 251个网格单元，为提高网格质量，对网格进行了光顺处理，并且为了提高网格的计算精度，对混合器以及模型入口、腔壁等湍流强度较大等流场特征区域进行网格加密处理。[内筒][充气入口][外筒][污水入口][出口] [ b ][ a ][ d ][ c ][Z5=200 mmZ4=160 mmZ3=110 mmZ2=60 mmZ1=100 mmZ0=0 mm][Z][Y][X]图1 混合器几何模型示意图：（a）结构，（b）截面选取，（c）整体网格，（d）局部放大网格Fig. 1 Schematic diagrams of mixer geometry model：（a） structure，（b） cross section，（c） overall grid，（d） partially enlarged grid 1.2 边界条件设置及计算方法根据混合器模型的模拟条件，污水入口采用速度入口边界，定义入口速度为3 m/s；出口采用压力出口边界条件，定义出口相对压强为0 MPa；充气入口采用速度入口边界条件，设置充气入口速度为20 m/s。充气入口气体体积分数定义为100%；混合器壁面采用无滑移边界条件，壁面粗糙度采用默认值0.5，同时采用标准壁面函数处理边界湍流。在数值模拟计算过程中，选用双精度求解器。第一阶段对单相液体进行数值模拟，将充气入口定义为壁面wall，湍流模型选用RNG k-ε模型，计算模型采用欧拉模型，利用非稳态求解器进行求解，求解计算混合器流动时间15 s后停止计算。第二阶段利用单相混合器的计算结果作为初始状态，激活群体平衡模型，设置液相为第一相，气体为第二相，设置充气入口为速度入口，进行混合器气液两相非稳态求解。1.3 网格无关性验证为了验证计算模型的可靠性，排除网格数量对模拟结果的影响，针对混合器模型进行了网格无关性验证。如图2所示，其中图2（a）为不同网格数量模型整体切向速度分布数值图，图2（b）为切向速度数值图虚线框所示部位放大示意图。从图中可以观察到，当模型网格数量达到557 251个时，流场中的切向速度变化甚微，进一步增加网格并未对计算结果造成影响，兼顾计算精度以及计算效率，选取网格单元数为557 251个时的模型进行计算。 2 计算结果与分析气浮旋流一体化技术中，微气泡与粒子碰撞粘附过程是影响分离效率的主要因素，对碰撞粘附过程的研究有助于揭示气浮技术机理。在实际应用中，混合器流场分布特征以及流场中气泡的分布特性是制约微气泡与粒子碰撞过程的关键因素，因此本文将针对未充气与充气条件下混合器流场特征以及充气条件下气泡分布规律进行研究。2.1 未充气与充气条件下混合器内流场分析2.1.1 混合器内部流场速度矢量图 图3为充气条件下混合器内部流场横截面与纵截面速度矢量图。从图3中可以观察到，污水从入口进入混合器后运动方向发生改变且运动速度降低，这是因为污水进入混合器后在圆柱面作用下产生分流，并且在腔壁处受到了较大的阻力所致。由于混合器的特殊结构，污水通过引流槽和涡流通道切向进入内筒并在内筒中形成旋流。充气条件下，空气高速射流进入混合器后在旋流场的作用下在中心处形成空气柱，高速运动的空气柱带动周围流体在轴心处形成高速区。由于离心场的存在，高速区中的气体不断与旋流场中的流体发生物质之间的交换，并且由于污水通过涡流通道射流进入内筒中，在运动过程中与高速区中的流体发生碰撞，因此极大地增大了污水中的粒子与气泡的碰撞几率。2.1.2 切向速度 旋流场流动中，由切向速度引起的离心场一方面导致微气泡产生自转，使气泡间产生聚并和破碎，另一方面旋转离心场加速了各相之间的运移过程，加快混合进程，因此切向速度是旋转混合分离技术中重要参数。图4为未充气与充气条件下混合器内筒各截面的切向速度分布数值图。从图4（a）和图4（b）可以发现由于近壁面的粘度作用，靠近近壁面的切向速度跃迁至较大值，随着半径的减小，切向速度呈现递减的趋势，至轴心处切向速度为零，由此表明混合器内流场中的切向速度符合强制涡的运动特征。充气状态下，截面Z3=110 mm、Z4=160 mm、Z5=200 mm处切向速度略有减小，而截面Z1=10 mm、Z2=60 mm处切向速度未发生明显变化。由于气体轴向进入混合器后在旋流场作用下形成中心气柱，气柱与流体之间的气液耦合包括气液摩擦，气液混合以及气液运移与扩散导致了混合器上半段处的能量消耗，因此充气后混合器上半段切向速度略有减小。对比充气与未充气条件下流场特征，未充气与充气条件下切向速度在流场中的分布规律基本相同，表明充气条件下并未对切向速度场产生剧烈扰动。稳定的切向速度场提供了稳定的离心场，有利于气泡的迁移扩散和气液间的混合，并且稳定的离心场避免了更多的微气泡发生剪切破碎，有助于气泡与粒子间的碰撞粘附。2.1.3 轴向速度 图5为未充气和充气条件下混合器内部流场中各截面轴向速度分布数值图。从图5（a）中可以发现，近壁面处轴向速度为零，随着半径的减小轴向速度呈现递增的趋势，在中心轴线处轴向速度达到最大值。轴向方向上，越靠近出口处轴向速度越大，在Z5=200 mm截面处轴向速度接近于零，然而在靠近出口处的Z1截面处轴向速度最大值可达到5.6 m·s-1。轴向速度的速度梯度分布以及不同截面处轴向速度分布跨度大，导致了下层的流体总是快于上层的流体流出混合器，因此轴向分布上不同截面处的粒子间难以发生有效的碰撞粘附。充气条件下轴向速度分布如图5（b）所示，由于气体通过从上至下射流的方式注入混合器，气体进入混合器后在离心场的作用下在中心轴线附近形成中心气柱，并在混合器中心气柱处形成一个高速区，高速区内的流体轴向速度递增至较大值并带动周围流体产生加速。充气后流场中的轴向速度整体分布上有明显提升，径向方向上轴向速度依旧呈现逐渐递增的趋势，但是靠近充气入口处的增长幅度明显大于下半段，靠近中心气柱处Z4与Z5截面处的轴向速度反而大于Z1和Z2截面处的轴向速度，在离心场的共同作用下，上层流体中的粒子更快地进入下层流体中并与粒子发生接触，因此提供了更多的碰撞几率。而混合器中轴向速度场的强化使流场中产生了更强的湍流强度，导致流场中湍流弥散作用加强，弥散现象的加强促进了粒子间的运移扩散，有利于提高微气泡与粒子之间的碰撞聚并粘附效率，因此在对轴向速度场的研究表明充气条件下提升了混合器气浮选性能。2.1.4 径向速度 图6为混合器流场中各截面径向速度分布图，如图6（a）所示，径向速度在3个速度分量中速度最小，同于切向速度与轴向速度分布特征，径向速度数值上也呈对称分布与速度梯度分布，由于混合器内部流场符合强制涡的流场特征，因此靠近中心轴线处径向速度大小趋近于零。图6（b）为充气条件下径向速度分布图，在充气条件下，径向速度整体大小上未发生明显的变化，但是由于中心气柱的形成以及中心轴线处轴向速度和湍流强度的突然增加带动周边流体在中心处产生方向相反位置相对的径向流动。径向流动的产生表明中心气柱处存在着气泡的运移与扩散，中心气柱处的气泡不断地向流体中扩散，在流场中的离心场和轴向速度场等作用下与流体中的粒子发生碰撞粘附，因此充气条件下极大地提高了微气泡与粒子的碰撞几率。通过对充气前后混合器内流场分布特征进行分析，可以发现充气前后混合器内三相速度均呈现速度梯度分布，在旋流场中由速度梯度引起的速度差能够为不同粒子提供不同的切向剪力、离心力、径向力，因此的激增和湍流强度的突变，以及在中心气柱处产生的径向流动促进了粒子间的迁移扩散，有利于气泡与颗粒间的碰撞粘附。并且轴向速度的增大，减少了流体在混合器内的水力停留时间，加速混合进程。2.2 混合器内流场气泡分布特征溶气气浮技术中，气泡分布、气泡大小及气泡的数量等条件都是制约混合分离效果的重要因素，而混合器流场对气泡的作用则影响着气泡的特性，因此本文将针对充气条件下混合器流场中的微气泡进行研究。图7为释压后混合器内流场微气泡粒径分布柱状图，通过观察可以发现流场内产生的微气泡粒径D主要分布在100~200 μm之间，并且该粒径范围下气泡数量占气泡总量的78%左右，与传统的气浮方法相比，该粒径下的微气泡直径小，分布范围窄，粘附效果更佳，更适用于溶气气浮技术。利用数值模拟软件对混合器内部气泡数量进行追踪，通过统计得到混合器内部溶解气体含量为0.002 2 kg/m3，流体的含量为1.786 4 kg/m3，利用公式计算出流场内溶解气含率达到50.46%，并且对出口处的气泡含量进行追踪统计，得到出口处气泡携带率为19.77%，表明通过混合器流场的作用，气体的溶解度高，产生气泡的数量多，并且混合完成后气泡携带率高。通过对流场中气泡的追踪研究，验证了在混合器作用下用下流场产生的微气泡直径小、分布范围窄、气泡数量多，并且气泡携带率高，因此在混合粘附过程中效果更佳。3 结 论借助数值模拟技术对未充气与充气条件下混合器内部流场进行模拟，通过对内流场的对比研究分析，可得出以下结论：1）充气前后，混合器模型内部流场的分布特征表明了流场在流动过程中粒子之间能够很好的发生碰撞粘附等过程。充气条件下对流场的强化作用，表明了充气后的流场能够极大地促进粒子的迁移与气泡的扩散，有利于提高微气泡与粒子之间的碰撞聚并粘附效率。2）在充气条件下，混合器内产生的微气泡粒径主要分布在100~200 μm之间，该粒径范围下气泡数量占气泡总量的78%，通过在混合器旋流场的作用下，流体中气溶率高达50.46%，并且出口处的气泡携带率达到19.77%。结果表明通过混合器作用下流场产生的微气泡直径小，分布范围窄，并且气泡数量多，因此在实际的工业应用中气泡的粘附携带性能更好，气浮选的效果更佳。3）从数值模拟的角度验证了三相混合器内部流场分布特征与工作特性，为下一步三相混合器混合性能的实验研究以及结构优化设计提供理论基础。