微气泡扩散曝气系统的增氧性能试验与数值模拟

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1、硕士学位论文微气泡扩散曝气系统的增氧性能试验与数值模拟作者姓名谢宇宁学科专业水利工程指导教师程香菊教授所在学院土木与交通学院论文提交日期2018年4月Experimentalstudyandnumericalsimulationonoxygenationperformanceoffine-bubblediffusingaerationsystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XieYuningSupervisor：Prof.ChengXiangjuSouthChinaUniversityofTec

2、hnologyGuangzhou,China摘要经济与科技的快速发展，引发了一系列水环境问题，如水体富营养化、黑臭。增氧则是解决这种水环境问题的重要措施之一。在众多增氧设备中，因为增氧性能比较好，微气泡扩散曝气系统在实际工程中的应用越来越广泛，但在其应用的过程中，仍存在不少问题，如：（1）究竟哪些因素影响着系统的增氧性能，这些因素的影响程度如何？（2）以往的研究，大多在静态的清水中进行，而实际工程中多为流动的含有有机物质的水体，所以研究成果外推到野外实际中会存在误差。（3）虽然大家已经形成共识，微气泡扩散曝气系统的氧传质主要来源于气泡-水界面传质和由气泡上升过程中带动的

3、自由液面的紊动传质，但是，两种传质对增氧的贡献如何，迄今缺少数据和理论支撑。（4）试验方法存在耗时、耗力和测量范围有限等不足，且外推至野外现场时，曝气增氧性能至今仍缺乏比尺效应，所以，构建数值模拟技术显得尤为重要。针对目前存在的问题，在室内构建了微气泡扩散曝气系统和增氧试验装置，进行了以下研究：（1）对曝气流量、曝气管管径、扩散器形状等内部因素和淹没水深、水体的流动特性、水质等外部因素的影响规律开展了大量的试验研究。（2）通过铺设薄膜盖与气泡拍摄技术，对两种氧传质方式进行了试验与分析。（3）建立了较为精细的微气泡扩散曝气系统的数值模拟，采用试验结果对其进行率定与验证，设

4、置了一系列情景工况对不同曝气流量下的水体流速场进行了预测。结合室内试验与数值模拟技术，得到了以下结论：（1）微气泡扩散曝气系统的增氧效果随曝气流量的增大而增强。（2）直线型扩散器的增氧效果最好，其次是C型与圆盘型，最差的是S型。（3）25mm×12mm尺寸的曝气管的充氧效率最高，而不是常用的16mm×10mm。（4）对于浅水体，氧体积传质系数随着淹没水深的增加而下降。（5）平顺流动水体的增氧效果好于静态水体，但差于流动水体中持续产生气泡的情况。（6）氧体积传质系数和修正系数随阴离子表面活性剂浓度的增加而呈现出先升高后下降的趋势，阴离子表面活性剂的存在减小了气泡的平均直径

5、，阻碍了气泡的变形，使其保持为球体状。（7）薄膜盖的存在降低了系统的增氧效率，直线型扩散器的下降率高于圆盘型，曝气流量的下降率随着曝气流量的增加而增加，淹没水深却相反。（8）气泡数量、密度、I平均直径和速度随着曝气流量的增大而线性增加，比表面积却相反。气泡的形状不随曝气流量的变化而变化，为扁平椭圆状。（9）数值模拟得到的曝气现象图、流速云图与现场试验现象贴近，数值模拟的效果较好。本文的研究结果，将为微气泡扩散曝气系统在实际水体中绿色、低碳地推广应用提供了较好的参考依据。关键词：微气泡扩散曝气系统；增氧性能；影响因素；氧传质；数值模拟IIAbstractTherapidd

6、evelopmentofeconomyandtechnologyhastriggeredaseriesofwaterenvironmentalproblems,suchasmakenwatereutrophication,blackandsmelly.Oxygenationisoneoftheimportantmethodstosolvethesewaterenvironmentproblems.Inmanyaerationfacilities,thefine-bubblediffusing(FBD)aerationsystemismoreandmorewidelyus

7、edinpracticalengineeringbecauseofitsbetteroxygenationperformance,buttherearestillmanyproblemsinitsapplicationprocess,suchas:(1)Whatfactorsdoinfluenceontheoxygenationperformanceofthesystemandhowistheinfluenceofthesefactors?(2)Inpaststudies,mostofthemwereconductedinstaticcl