CN104445657A - 一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置 - Google Patents

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孙昕
马晓林
黄廷林
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Abstract

本发明公开了一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，包括顶部上升筒、中间出流筒、导流锥台和浮体；浮体设置在顶部上升筒的顶部，中间出流筒设置在浮体的中心，中间出流筒的下端设置有导流锥台，顶部上升筒、浮体以及导流锥台之间在顶部上升筒的顶部周向上形成若干上升筒喇叭口；顶部上升筒侧壁的周向上开设有若干泄流孔。本发明使扬水曝气器上升筒内部水流接近出流装置时，部分水流先从上升筒侧壁流出，其余水流经导流锥台和上升筒顶部喇叭口之间通道辐射流出，上升水流对扬水曝气器的冲击力比原来的对应值约减少一半，有效避免扬水曝气器各连接部件和顶部浮体的疲劳损伤，降低水流经过出流装置时的能量损失，保证扬水曝气器长期高效稳定运行。

Description

一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置
技术领域:
本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，具体涉及一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，其适用于现有浮筒式扬水曝气器的改造和新造浮筒式扬水曝气器的加工，可使浮筒式扬水曝气器更高效稳定地用于湖泊水库水质的内源污染和富营养化控制。
背景技术:
湖泊水库内源污染及富营养化问题在世界范围内广泛存在，特别是水深大于30米的深水型分层湖泊水库，季节性水温分层是湖泊水库水质内源污染的主要诱因之一。受跃温层内的浮阻力影响，表层水体中较高浓度的溶解氧很难穿过跃温层而传递到底部水体，而底部水体和底泥因各种化学、生物等作用而耗氧，二者共同导致底部水体溶解氧浓度逐渐降低，当溶解氧浓度低于2mg/L时，水库底泥中的无机和有机污染物会大量释放，形成水库内源污染，在冬春交替季节“翻库”而污染整个水库水体。内源污染物的大量释放，会在气温较高的季节造成藻类的过量繁殖，藻类新陈代谢释放的产物又会增加水体中有机物的数量，加快水体富营养化进程，对于作为饮用水水源的湖泊水库，它不仅危及饮用水安全，而且会增加水厂的处理成本。
混合和充氧是目前应用较多的两种湖泊水库水质内源污染和富营养化控制技术，而浮筒式扬水曝气器技术将混合和充氧有机结合，在众多技术中脱颖而出，极具应用前景，并已成功应用于太原汾河水库和西安金盆水库。当压缩空气从微孔进入扬水曝气器曝气室后，空气中的氧气会部分溶于水中，未溶解的残余气体会逐渐在曝气室顶部累积，当曝气室内水位被气体挤压至水封板下缘时，曝气室内气体会迅速溢入扬水曝气器的中间上升筒，在上升筒内形成大型气弹携带水库底部水流先加速上升，后因水流阻力的增加而减速上升，最后速度基本降为0，直至下一个气弹形成，循环不已。采用该技术能同时混合湖泊水库上、下层水体和向水体充氧，有效抑制底泥中污染物的释放，控制藻类的过量繁殖和水体富营养化。
在浮筒式扬水曝气器的运行过程中，周期性气弹携带水流上升会对设备顶部产生很大的冲击力，在长时间、高频率的冲击振动下，设备顶部、中下部连接部件及底部锚固系统容易出现疲劳损害，缩短设备的使用年限；部分水流会随气体从设备顶部中间的出流孔流出，减小了用于混合水体的有效水量；需要对扬水曝气器顶部传统的出流结构进行优化及改造，以使其长期、稳定、可靠运行。
发明内容:
本发明的目的在于针对现有浮筒式扬水曝气器出流结构的不足，提供了一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，应用该装置可分流部分垂直向上水流，改善出流装置内水流状态，增加用于混合的有效水量，降低扬水曝气器上升筒内周期性上升水流对设备顶部的冲击力，以增加设备的使用年限，提高设备的混合效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，包括顶部上升筒、导流锥台、中间出流筒和浮体；其中，浮体设置在顶部上升筒的顶部，中间出流筒设置在浮体的中心，中间出流筒的下端设置有导流锥台，顶部上升筒、浮体以及导流锥台之间在顶部上升筒的顶部周向上形成若干上升筒喇叭口；顶部上升筒侧壁的周向上开设有若干泄流孔。
本发明进一步的改进在于：顶部上升筒侧壁的周向上开设有两排泄流孔。
本发明进一步的改进在于：每一排泄流孔的数量为4个，其均匀设置在顶部上升筒侧壁的周向上；每一排泄流孔的总面积与同高度顶部上升筒侧壁的周向面积之比为0.3。
与现有技术相比，本发明在浮筒式扬水曝气器传统的出流结构基础上，提供了一种改善出流装置内部水流状态的优化装置，包括设置于扬水曝气器中间上升筒顶部周壁的泄流孔、顶部浮体中间的中间出流筒和中间出流筒外周的导流锥台，其能使扬水曝气器上升筒内部水流接近出流装置时，部分水流先从上升筒侧壁辐射流出，其余水流经导流锥台和上升筒顶部喇叭口之间通道辐射流出.采用计算流体力学方法构建具有不同出流结构的扬水曝气器及其外围水体的网格，数值模拟典型曝气条件下扬水曝气器内部及其外围水体流速场，根据动量方程计算不同出流结构条件下扬水曝气器顶部浮体所受的冲击力，上升水流对扬水曝气器的冲击力比原来的对应值约减少一半，可有效避免扬水曝气器各连接部件和顶部浮体的疲劳损伤，降低水流经过出流装置时的能量损失，保证扬水曝气器长期高效稳定运行。
附图说明:
附图1：扬水曝气器优化出流装置示意图；
图中：1为顶部上升筒，2为泄流孔，3为上升筒喇叭口，4为导流锥台，5为中间出流筒，6为浮体；
附图2：扬水曝气器出流装置示意网格；
附图3：扬水曝气器出流装置控制体动量方程示意图；
附图4：扬水曝气器出流装置周围流场分布图；
附图5：不同出流装置条件下扬水曝气器出流装置入口处速度分布图；
附图6：不同出流装置条件下浮体所受冲击力分布图。
具体实施方式:
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，包括顶部上升筒1、中间出流筒5、导流锥台4和浮体6；浮体6设置在顶部上升筒1的顶部，中间出流筒5设置在浮体6的中心，中间出流筒5的下端设置有导流锥台4，顶部上升筒1、浮体6以及导流锥台4之间在顶部上升筒1的顶部周向上形成若干上升筒喇叭口3，且顶部上升筒1侧壁的周向上开设有若干泄流孔2。进一步地，顶部上升筒1侧壁的周向上开设有两排泄流孔2，且每一排泄流孔2的数量为4个，其均匀设置在顶部上升筒1侧壁的周向上；每一排泄流孔2的总面积与同高度顶部上升筒1侧壁的周向面积之比为0.3。
为了对本发明进一步了解，现结合数值模拟结果，对其工作原理作以说明。
采用GAMBIT构建扬水曝气器出流装置附近的网格，如图2所示。
将浮筒式扬水曝气器上升筒及其外围水体简化为二维轴对称模型，视扬水曝气器底部为一个半径为0.375m的等直径圆柱体，外围水体以扬水曝气器为中心，水域半径为300m；水库水深采用80m。扬水曝气器出水口顶部距水面1m，扬水曝气器进水口距水库底部6m。视扬水曝气器进水口及其以上1m区域为一个黑体，不考虑其内部流动；扬水曝气器进水口、出水口分别为模拟区域的出口、进口。扬水曝气器速度入口条件为：前15s内流速从0m/s线性增加到2.5m/s，再线性降低至30s时的0m/s，之后至170s均为0m/s。
根据图1所示的扬水曝气器顶部出流装置，对上升筒顶端断面1-1、垂向出流断面2-2、横向出流断面3-3及器壁之间作一控制体(如图3所示)。
横向出流因断面3-3为竖直的环形断面，不会对设备产生向上的冲击力。忽略控制体所受水流阻力，向下重力与各面所受净的向上静水压力大致相等，对控制体列出动量方程：
P＝ρQ1v1-ρQ2v21    (1)
式中：P为设备所受冲击力(N)，ρ为水的密度(取1000kg/m3)，Q1和v1分别为断面1的流量(m3/s)和流速(m/s)，Q2和v21分别为断面2的流量(m3/s)和流速(m/s).
根据数值模拟数据，对各算例的不同时刻，分别积分求出断面1-1和2-2的平均水流速度和流量，运用动量方程(1)计算设备所受冲击力P。
对具有原有出流装置的扬水曝气器，当扬水曝气器上升筒内水流从下向上运动经过出流装置时，小部分水流从顶部浮体中间出流孔流出，损失部分用于混合的水流流量；大部分水流先垂直冲向顶部浮体，然后辐射流出扬水曝气器，在扬水曝气器外围形成顺时针循环水流(如图4所示)；垂直上升的水流会对浮体造成巨大的冲击力，进而引起扬水曝气器其他连接部件的疲劳损害，水流能量也因流速的迅速变化而大幅损耗，削弱扬水曝气器的混合效果。
对具有优化出流装置的扬水曝气器，当扬水曝气器上升筒内水流从下向上运动经过出流装置时，部分水流先从上升筒顶部侧壁上的泄流孔流出，削减了直接冲向顶部浮体的水流流量；其余的垂直上升水流经过上升筒顶部开有泄流孔的管段后，经过导流台的缓冲和导流作用，水流流速变得较为平缓，然后辐射流出扬水曝气器，削减了上升水流对浮体的冲击力，削弱了上升水流对扬水曝气器其他连接部件的疲劳损害作用；同时，所有上升水流均辐射流出扬水曝气器，避免了用于混合的水流流量的损耗，提高了扬水曝气器的混合效果。
根据数值模拟结果，如图5所示，对于采用原有处流装置和优化出流装置的扬水曝气器，在一个气弹周期内(即上升筒内水流上升至停止再上升的周期)，其上升筒断面2-2处最大流速分别为2.09m/s和1.48m/s；如图6所示，对于采用原有处流装置和优化出流装置的扬水曝气器，在一个气弹周期内，其顶部浮体所受最大冲击力分别为2684N和1393N，采用优化出流装置后，设备所受最大冲击力降低48.1％，有效减弱了扬水曝气器因水流冲击而造成的疲劳损害作用，有助于设备的长期可靠运行。

Claims (3)

1.一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，其特征在于：包括顶部上升筒(1)、导流锥台(4)、中间出流筒(5)和浮体(6)；其中，浮体(6)设置在顶部上升筒(1)的顶部，中间出流筒(5)设置在浮体(6)的中心，中间出流筒(5)的下端设置有导流锥台(4)，顶部上升筒(1)、浮体(6)以及导流锥台(4)之间在顶部上升筒(1)的顶部周向上形成若干上升筒喇叭口(3)；顶部上升筒(1)侧壁的周向上开设有若干泄流孔(2)。
2.根据权利要求1所述的一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，其特征在于：顶部上升筒(1)侧壁的周向上开设有两排泄流孔(2)。
3.根据权利要求2所述的一种浮筒式扬水曝气器出流优化装置，其特征在于：每一排泄流孔(2)的数量为4个，其均匀设置在顶部上升筒(1)侧壁的周向上；每一排泄流孔(2)的总面积与同高度顶部上升筒(1)侧壁的周向面积之比为0.3。
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