规则波强迫掺气条件下气泡界面传质系数的试验研究.pdf

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1、第絮卷0，·：期中国海洋大学学报。。(11)．0。。堋。2013年11月PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA～诗≥,⋯2013⋯研究简报规则波强迫掺气条件下气泡界面传质系数的试验研究+尹则高1’2，李哓楠2，赵强2，邹威2(中国海洋大学1．山东省海洋工程重点实验室；2．工程学院，山东青岛266100)摘要：气泡界面传质系数是表达掺气流动永体传质效率的重要指标。本文建立了规则波掺气条件下气泡界面氧传质的室内试验模型，对12组工况进行观测，通过计算得到室内试验的气泡界面传质系数。利用试验数据对FumioTakemura

2、公式，李新海公式和Fayolle公式的实用性进行对比分析，结果发现FumioTakemura公式与试验数据比较吻合，而李新海公式和Fayotle公式计算结果偏小。FumioTakemura公式可以用来近似计算规则波强迫掺气条件下的气泡界面传质系数。关键词：规则波；掺气；溶解氧；气泡界面传质系数率图法分类号：U656．24文献标志鹚：A文章编号；1672—5174(2013)11-094—05水体中溶解氧是衡量水质的重要指标之～。溶解氧直接影响到水中动植物的生存环境，对有机物降解乃至水体自净有决定性的影响。当水中溶解氧浓度较低时，有机污染物得不到充

3、分降解，通过厌氧菌的分解引起腐败现象，产生甲烷、硫化氢和氨等恶臭气体，使水体变质发臭；同时会导致水体中生物生长速度减缓，繁殖能力下降甚至死亡，带来严重的水环境生态问题‘1。。为了提高水体中的溶解氧浓度，对水体进行气泡掺气是行之有效的方式之一。掺气气泡的大小和数量，以及在水体中的滞留时间对复氧效率有很大影响。一般来说，气泡的直径越小，数量越多，滞留时间越长，越有利于气泡界面传质，复氧效果越好。室内试验和现场观、狈0方面，Sahoo等[21建议气泡直径控制在2～5mill之间，实现湖区水体的高效复氧；而Motarjemi等[3]建议取为0．3～1mm

4、。实际上，大量产生微小气泡存在较大困难。考虑到实用性，Wriest等[4]建议气泡直径取为l，6～2Film；而Sahoo等[2]建议气泡直径应接近2mrrt。为获取更小的气泡，LimaNeto等L5]使用孔径更小的单孔喷嘴、多孔喷嘴及多孔介质喷嘴，发现使用多孑L介质喷嘴可以得到较小而均匀的气泡，复氧效果较好。MilgramE6

5、、Sun等[7_8]以及LimaNeto等[9]发现在垂直射流中心线的断面上，气泡速度和气体积分分数基本符合高斯分布，而Seol等[】叫却认为介于高斯分布与高帽(Tophat)分布之间。数值模拟方面，Sun等p副进行了静

6、水中气泡羽流和水气射流的数值模拟。为了解决多孔介质掺气过程中易堵塞的缺点，LimaNeto等[519]提出了水气射流模型，用来产生小而均匀的气泡。王双峰等“‘，建立了气液两相流双方程湍流模型，对静水中水气射流进行了数值模拟，利用试验数据验证了该模型的可靠性和有效性。谭立新等[12]提出了稀疏气泡流的双流体模型，并对流动环境中的气泡羽流进行了计算验证。在此模型基础上，李志高等[13]预测了气泡直径对掺气浓度的影响。虽然上述学者对掺气条件下水气二相的行为特性进行了大量研究，但由于研究对象的复杂性，研究结果存在很大的不一致，甚至相反的结论。传质系数是表

7、达水气二相之间质量传输的重要参数，其表达形式的正确与否直接影响着计算结果的准确性。目前对流动条件下水气二相自由界面的研究较多，而对传输超主导作用的气泡界面传质研究则十分欠缺。本文利用物理模型试验的方法，分析验证了规则波作用下强迫掺气复氧的气泡界面传质系数表达式，可以为缺氧海域的掺气复氧特性分析和计算提供较好的参考依据。1物理模型试验1．1试验设施与布置为了对规则波掺气复氧气泡界面传质行为进行分*基金项目：国家自然科学基金项目(51009123)；青岛市科技计划基础研究项目(11—2—41一(7)-jch)资助；中国海洋大学本科生研究发展计划项目资

8、助收稿日期：2013—04—26；修订日期：2013一07—10作者简介：尹则高(1977一)，男，副教授。E-mail：yinzegao@OUC．edu．crt11期尹则高，等：规则波强迫掺气条件下气泡界面传质系数的试验研究析，建立了波动水体下人工强迫掺气物理试验模型。试验在中国海洋大学工程水动力学实验室的波浪水槽内进行。波浪水槽长、宽、高分别为30、0．6和1．2m。试验水深0．5m；利用电容式波高传感器测定波高为0．05m，波长0．93m，周期0．77S。掺气管布置在波浪水槽的中部，垂直伸人底部水体12cm，孔口直径分别为取4，6，8和10

9、mm。利用ZBM—O．1／8型空气压缩机(最大流量100L／rain)将空气通过掺气管泵入水体，临近空气压缩机的位置布置阀门控制气体流量