基于Level Set方法的曝气气泡动力学研究

论文摘要

在曝气池内,微生物(泥)、有机质(水)与氧(气)各物相接触是生化反应的先决条件,而物相接触主要受介观尺度(即气泡尺度)流体动力学行为所支配。因此,开展曝气池内气液两相介观流体动力学特性的研究,对于深入认识反应器中气液两相相互作用的规律,为开发高效低耗的好氧曝气技术和提高污水好氧生化处理效率,具有重要的理论价值和实际意义。首先,针对传统曝气池两相流模型只能描述池内宏观流动特性(流型、气含率和流速分布)的问题,发展了一个基于Level Set界面捕捉技术的气液两相流介观数值模型。模型通过在Level Set重新初始化方程上增加一个约束条件来改进Level Set方法的守恒性；根据气液两相各自的运动方程和气液交界面上的边界条件,结合Level Set函数的性质,推导出了Level Set方法中的气液两相流动的单一场控制方程。其次,通过与高速摄影图片及前人文献结果的比较,检验了模型的正确性和有效性。通过对网格无关性和边界效应的分析,优化了数值计算所需要的网格尺寸和计算区域。随后,应用所发展的数值模型,对曝气池内单个气泡和双气泡在静止流场中上升和变形的过程进行了数值模拟。一方面,深入研究了气泡初始条件对曝气池内单个气泡上升变形和速度的影响。得到了高Eo数气泡由球帽状转变为气泡环的结构相图,确定了二者形状转变的Eo数和Mo数,给出了初始形状影响气泡动力学特性的机理；基于上述机理,探讨了Eo数和Re数对曝气气泡上升行为的影响规律。另一方面,考察了气泡对的变形、吸引及排斥行为。模拟结果表明,气泡对后面的尾迹流及其相互作用决定了上升气泡对的行为。由于尾部气泡在上方气泡尾流的作用下其上升的速度比较快,因此不可避免地出现碰撞与融合,并且两气泡在融合过程中发生了速度先降后升的现象。最后,通过所发展的数值模型,对曝气池内气泡生成过程进行了数值模拟,考察单孔气泡和多孔气泡生成和上升的行为特征,重点研究了横向水流对曝气气泡动力学的影响。模拟发现,水中气泡由多孔生成与上升的行为明显不同于单孔。多孔气泡上升过程中,由于气泡间的相互作用,气泡尺寸和空间分布极其不均匀。模拟还发现,曝气池内水横向流动对气泡的生成过程有重要的影响。由于水的横向流动,气泡倾斜向下游生长,气泡生成时间随着水流速度的增加而缩短,致使生成气泡的体积减小,这样就增加了池内气液两相的相接触面积,从而提高了氧的传递速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 曝气在污水处理中的运用
• 1.2 曝气池内气液两相流的研究现状
• 1.3 气液两相流数值研究方法
• 1.4 本文研究的主要内容及意义
• 第二章 数学模型
• 2.1 Level Set方程
• 2.1.1 Level Set函数的引出
• 2.1.2 Level Set函数及其性质
• 2.1.3 Level Set方程
• 2.1.4 Level Set方程的重新初始化
• 2.1.5 Level Set方法的质量守恒
• 2.2 不可压缩气液两相流的单一场控制方程
• 2.3 数值解法
• 2.3.1 Level Set方程的求解方法
• 2.3.2 重新初始化方程的求解方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 模型验证
• 3.1 网格无关解
• 3.2 边界效应
• 3.3 实验验证
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 静水中单个曝气气泡生成行为的验证
• 3.4 与文献结果的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 浮升气泡动力特性的研究
• 4.1 单个气泡动力学分析
• 4.1.1 计算对象
• 4.1.2 初始形状对浮升气泡形状的影响
• 4.1.3 浮升气泡平衡状态下的流场及涡结构
• 4.1.4 浮升气泡速度与位置的变化
• 4.1.5 球帽状转变为气泡环的相图
• 4.1.6 Re数对气泡上升行为的影响
• 4.1.7 Eo数对气泡上升行为的影响
• 4.1.8 气泡的形状振荡
• 4.2 气泡之间的相互作用
• 4.2.1 水平并排气泡对的上升
• 4.2.2 垂直同轴气泡对的上升
• 4.2.3 垂直交错气泡对的上升
• 4.2.4 气泡相互作用对气泡上升速度的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 曝气气泡生成动力学特性研究
• 5.1 静止水流下曝气气泡生成行为
• 5.1.1 单孔曝气中气泡的生成与上升行为
• 5.1.2 单孔中不同水质的影响
• 5.1.3 多孔曝气中气泡的生成与上升行为
• 5.1.4 不同气孔间距的影响
• 5.2 横向水流下曝气气泡生成行为
• 5.2.1 水流速度的影响
• 5.2.2 曝气速度的影响
• 5.2.3 曝气孔径的影响
• 5.2.4 曝气孔排列方式的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的学术研究
• 致谢