基于Level Set方法的曝氣氣泡動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、在曝氣池內(nèi),微生物(泥)、有機(jī)質(zhì)(水)與氧(氣)各物相接觸是生化反應(yīng)的先決條件,而物相接觸主要受介觀尺度(即氣泡尺度)流體動(dòng)力學(xué)行為所支配。因此,開展曝氣池內(nèi)氣液兩相介觀流體動(dòng)力學(xué)特性的研究,對(duì)于深入認(rèn)識(shí)反應(yīng)器中氣液兩相相互作用的規(guī)律,為開發(fā)高效低耗的好氧曝氣技術(shù)和提高污水好氧生化處理效率,具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
　　 首先,針對(duì)傳統(tǒng)曝氣池兩相流模型只能描述池內(nèi)宏觀流動(dòng)特性(流型、氣含率和流速分布)的問題,發(fā)展了一個(gè)基于

2、LevelSet界面捕捉技術(shù)的氣液兩相流介觀數(shù)值模型。模型通過在LevelSet重新初始化方程上增加一個(gè)約束條件來改進(jìn)LevelSet方法的守恒性；根據(jù)氣液兩相各自的運(yùn)動(dòng)方程和氣液交界面上的邊界條件,結(jié)合LevelSet函數(shù)的性質(zhì),推導(dǎo)出了LevelSet方法中的氣液兩相流動(dòng)的單一場(chǎng)控制方程。
　　 其次,通過與高速攝影圖片及前人文獻(xiàn)結(jié)果的比較,檢驗(yàn)了模型的正確性和有效性。通過對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性和邊界效應(yīng)的分析,優(yōu)化了數(shù)值計(jì)算所需要的

3、網(wǎng)格尺寸和計(jì)算區(qū)域。
　　 隨后,應(yīng)用所發(fā)展的數(shù)值模型,對(duì)曝氣池內(nèi)單個(gè)氣泡和雙氣泡在靜止流場(chǎng)中上升和變形的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。一方面,深入研究了氣泡初始條件對(duì)曝氣池內(nèi)單個(gè)氣泡上升變形和速度的影響。得到了高Eo數(shù)氣泡由球帽狀轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀莪h(huán)的結(jié)構(gòu)相圖,確定了二者形狀轉(zhuǎn)變的Eo數(shù)和Mo數(shù),給出了初始形狀影響氣泡動(dòng)力學(xué)特性的機(jī)理；基于上述機(jī)理,探討了Eo數(shù)和Re數(shù)對(duì)曝氣氣泡上升行為的影響規(guī)律。另一方面,考察了氣泡對(duì)的變形、吸引及排斥行為。

4、模擬結(jié)果表明,氣泡對(duì)后面的尾跡流及其相互作用決定了上升氣泡對(duì)的行為。由于尾部氣泡在上方氣泡尾流的作用下其上升的速度比較快,因此不可避免地出現(xiàn)碰撞與融合,并且兩氣泡在融合過程中發(fā)生了速度先降后升的現(xiàn)象。
　　 最后,通過所發(fā)展的數(shù)值模型,對(duì)曝氣池內(nèi)氣泡生成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,考察單孔氣泡和多孔氣泡生成和上升的行為特征,重點(diǎn)研究了橫向水流對(duì)曝氣氣泡動(dòng)力學(xué)的影響。模擬發(fā)現(xiàn),水中氣泡由多孔生成與上升的行為明顯不同于單孔。多孔氣泡上升過程