CN108664712A - 一种混合充氧设备驱动结构优化方法 - Google Patents

一种混合充氧设备驱动结构优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了混合充氧设备驱动结构优化方法，包括以下步骤：步骤1：构建不同结构的混合充氧设备驱动结构三维模型；步骤2：建立三维模型的计算区域模型，并进行网格划分；步骤3：对不同结构的混合充氧设备驱动结构的水量提升进行计算，分析计算结果得出最优结构。应用本发明公开的优化方法得出了叶片与水平面最优夹角为45°、叶片外缘距出水延伸筒内壁的最优水平间距为10cm、出水延伸筒的最优扩散倾角为15°。本发明通过Gambit软件构建不同的混合充氧设备驱动结构模块，并通过FLUENT软件对各种混合充氧设备驱动结构模块进行水量提升特性计算，从而得出最优的混合充氧设备驱动结构，相比传统的实验方式，其不会浪费资源，且实验效率更高，实验结果更准确。

Description

一种混合充氧设备驱动结构优化方法
技术领域
本发明涉及一种优化方法，具体是指一种混合充氧设备驱动结构优化方法。
背景技术
针对湖泊水库等封闭或半封闭水体污染问题，目前原位控制技术主要有物理控制技术、物化控制技术、生物控制技术以及生态修复技术。物理控制技术包括底泥疏浚、定期引水换水和混合充氧技术；物化控制技术包括底泥封闭、底泥钝化和混凝沉淀等方法；生物控制技术主要为生物投菌法；生态修复技术包括人工湿地、人工生态浮岛以及稳定塘技术。对于底泥淤积污染严重的湖库，底泥疏浚是适宜水质控制技术；对于底泥淤积污染不太严重及底泥疏浚后的湖库，混合充氧和生态修复分别是采用较多的原位物理和生物控制技术，具体的治理技术应因地制宜、因“水”制宜。
在各种水质控制技术中，对于水容较小、底泥淤积污染研制的湖库，底泥疏浚会起到明显的效果，但不适用于水容量大的湖库水体，且底泥疏浚可能破坏水底的固有生态系统，须进行植物和微生物修复；被疏浚底泥的堆放和无害化处理难度极大，疏浚成本极其高昂，故对其应用非常慎重。
引水、换水稀释法存在污染的转移，且工程量较大，投资高。投加化学药剂是一种应急的方法，加入化学药剂引起的次生水质风险较大，对环境的影响有待进一步研究。混合充氧技术实施简单、收效快，是采用较多的主流物理控制技术，但目前传统的混合充氧设备主要还是依靠安装于水体底部的曝气器或通气管来进行充氧，同时起到混合水体的作用，这些曝气设备水下安装困难、维护不易、而且能量效率一般低于10％、能耗较高。
生物投菌法可以治理水体富营养化，并可以激活水中部分土著微生物而增强水体自净能力，但目前微生物菌剂的菌种单一、功能有待提高；且向水体中投加外来菌种，会存在一定的环境适应性、生物安全性等问题，故工程应用比较有限。
人工生态浮岛水质修复技术，具有一定的经济性和实用性,但生态浮岛净水范围有限、大量生长繁殖的水生植物后续处理问题比较棘手，也限制了其大规模应用；生物操纵存在高效微生物的环境适应性及安全性问题，目前还局限于小范围应用。
针对传统混合充氧设备安装维护难、运行成本高等先天不足，已出现了新型混合充氧设备(ZL2014100064732、ZL 2015109082410)，其主体驱动单元置于水体上部、通过表层负压吸入空气而充氧，循环混合水体，创造性地解决了安装维护难、运行成本高的实际应用问题。该设备依靠浮体使其漂浮、垂直立于水中；并利用尼龙绳将装置底部与锚固墩相连，使装置固定水体中。四根对称布置的进气管伸出水面。工作时水泵出水通过文丘里进气装置的水流上升筒，从渐缩管流入喉管时，水流速度因过水断面的减小增大，从而在喉管处产生负压，空气因负压被吸入缩小管中，此为一次曝气过程。当水流导流板伸出水面，水流会依次经过出水延伸筒和水流导流板，经导流板导流像喷泉一样向四周喷水，此为二次曝气过程。整个过程有着充足的曝气量，并使下部水体经充氧提升至上部水体，形成一定范围内的水体循环。当水体污染较严重时，水流导流板也可设置在水面以下，可以形成一个范围更大的水体循环，更好地通过混合充氧净化水质。上述设备中驱动系统结构对混合充氧性能影响很大，合理地对驱动系统结构进行优化，在外部能量输入功率相同的条件下，会大大提高混合水量和负压吸氧量，从而进一步显著降低其运行成本。目前对驱动系统结构的设计一般都是技术人员根据经验制造出不同的驱动系统，通过对比不同驱动系统对水量提升的效果，最终确认驱动系统的结构。采用上述方法设计驱动系统的结构需要设计出许多驱动系统，其会浪费大量的资源，并且从制作样机到测量出参数结果需要较长时间，效率低下。
发明内容
本发明的目的在于克服混合充氧机所存在的上述缺陷，提供一种混合充氧设备驱动结构优化方法
一种混合充氧设备驱动结构优化方法，包括以下步骤：
步骤1：构建不同结构的混合充氧设备驱动结构的三维模型；所述充氧设备的三维模型包括水流上升筒，与水流上升筒连接的喉管，与喉管连接的出水延伸筒，设在出水延伸筒内并与出水延伸筒之间形成曝气室的搅拌器，设在出水延伸筒上方的水流导流板；
步骤2：将三维模型分为转子区和定子区，以建立三维模型的计算区域模型；
步骤3：对计算区域模型进行网格划分，生成网格文件；
步骤4：将网格文件导入Fluent软件，并进行水量提升特性计算；
步骤5：对计算结果进行分析，得出最优的混合充氧设备驱动结构设计方案。
所述步骤1中构建不同结构的混合充氧设备驱动结构是指所构建的混合充氧设备驱动结构的搅拌器的叶片与水平面的夹角不同，所构建的混合充氧设备驱动结构其搅拌器的叶片外缘至出水延伸筒的水平间距不相同，且所构建的混合充氧设备驱动结构的出水延伸筒的扩散倾角也不相同。
所述步骤2中搅拌器所覆盖的区域为转子区，水流上升筒、喉管以及出水延伸筒所覆盖的区域为定子区。
所述步骤2中，转子区采用旋转参考系而定子区则采用静止参考系来建立计算区域模型。
所述步骤3中采用六面体结构化网格对计算区域模型进行划分。
步骤4中进行水量提升特性计算包括以下内容：
a、对网格进行检查，最小网格体积需大于0；
b、在Fluent软件中选择非稳态模型和Presure-Based求解器，并在Presure-Based求解器中设置Z轴方向的重力加速度为-9.81m/s2；
c、在Fluent软件中选择湍流模型；
d、在Fluent软件中将转子区和定子区的材料均设置为水，转子区motion type设置为旋转坐标系并设置转速；
e、设置边界条件，将转子区中搅拌器设置为moving wall，设置motion选项为相对速度Relative to Adjacent Cell Zone，运动形式为绕Z轴转动，且相对速度设置为0；
f、创建转子区和定子区的交界面；
g、将动量方程、湍动能K以及湍动能耗散率ε采用一阶迎风格式进行离散，并采用SIMPLEC算法对水流压力和水流速度进行耦合计算；
h、流场初始化，对水流压力和水流速度进行迭代计算，直至水流压力和水流速度的残差达到10-3，得到计算结果；
i、使用CFD-Post及Tecplot软件，对计算结果进行后处理。
所述c中的湍流模型为k-ε模型。
所述e中设置边界条件包括搅拌器设置为运动壁面，水流上升筒、喉管、出水延伸筒以及水流导流板设置为静止壁面。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过Gambit软件构建不同的混合充氧设备驱动结构模型，并通过FLUENT软件对各种混合充氧设备驱动结构模块进行水量提升特性计算，从而得出最优的混合充氧设备驱动结构，相比传统的实验方式，其不会浪费资源，且实验效率更高，实验结果更准确。
(2)本发明进一步改进在于，研究了其他参数不变的情况下，不同叶片倾斜角度对提升流量的影响，得出了最优叶片倾斜角度为45°。
(3)本发明进一步改进在于，出口延伸筒为锥形，并研究了其他参数不变的情况下，叶片外缘距出口延伸筒边壁的水平距离对提升流量的影响，得出了最优间距为10cm。
(4)本发明进一步改进在于，研究了其他参数不变的情况下，锥形出口延伸筒的扩散倾角对提升流量的影响，得出了最优倾角为15°。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的混合充氧设备驱动结构的模型图。
图3为本发明的网格生成图。
图4为本发明的搅拌器的叶片的夹角对提升流量的影响的曲线图。
图5为本发明出水延伸筒与叶片的中心轴线所在的水平截面的半径对水量提升的影响示意图。
图6为本发明叶片的外缘与出水延伸筒内壁的水平间距为5cm时，水量提升模拟图(出水延伸筒出口处局部大图)。
图7为本发明叶片的外缘与出水延伸筒内壁的水平间距为10cm时，水量提升模拟图(出水延伸筒出口处局部大图)。
图8为本发明叶片的外缘与出水延伸筒内壁的水平间距为15cm时，水量提升模拟图(出水延伸筒出口处局部大图)。
图9为本发明叶片的外缘与出水延伸筒内壁的水平间距为20cm时，水量提升模拟图(出水延伸筒出口处局部大图)。
图10为本发明出水延伸筒的扩散倾角对水量提升的影响示意图。
符图中的符图标记名称为：1—搅拌器、2—水流上升筒、3—水流导流板、4—出水延伸筒、5—喉管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例的混合充氧设备驱动结构优化方法，包括以下步骤：
步骤1：利用Gambit软件构建不同结构的混合充氧设备驱动结构的三维模型。如图2所示，该充氧设备的三维模型包括水流上升筒2，与水流上升筒2连接的喉管5，与喉管5连接的出水延伸筒4，设在出水延伸筒4内并与出水延伸筒4之间形成曝气室的搅拌器1，设在出水延伸筒4上方的水流导流板3；该搅拌器1设置有叶片，叶片的中心轴线位于水平面上且叶片与水平面成一定角度。
该混合充氧设备驱动结构的工作原理为：当搅拌器1转动时，水则从水流上升筒2下方被吸入，并沿水流上升筒2、喉管5以及出水延伸筒4往上流动，通过水流导流板3的导流作用，使其与外部水体重新混合。本实施例是针对不同结构的混合充氧设备驱动结构的水流提升量进行测试，以找出最优的混合充氧设备驱动结构；因此，本实施例中构建不同结构的混合充氧设备驱动结构的三维模型是指所构建的混合充氧设备驱动结构的搅拌器1的叶片与水平面的夹角不同，本实施例中构建的混合充氧设备驱动结构模型其搅拌器1的叶片与水平面夹角分别为15°、30°、45°、60°以及75°；另外，所构建的混合充氧设备驱动结构其搅拌器1的叶片外缘至出水延伸筒4的水平间距也不相同，具体的，所构建的混合充氧设备驱动结构其搅拌器1半径为15cm，通过设定出水延伸筒4与叶片的中心轴线所在的水平截面的半径为20cm、25cm、30cm以及35cm，从而使搅拌器1叶片外缘至出水延伸筒4的水平间距为5cm、10cm、15cm以及20cm；此外，所构建的混合充氧设备结构其出水延伸筒4的扩散倾角也不同，其扩散倾角分别为10°、15°、20°、25°以及30°。
步骤2：分别将步骤1中所构建的结构不同的三维模型分为转子区和定子区，以建立三维模型的计算区域模型：具体的，搅拌器1所覆盖的区域为转子区，水流上升筒2、喉管5以及出水延伸筒4所覆盖的区域为定子区，且转子区采用旋转参考系，定子区则采用静止参考系来建立计算区域模型。
步骤3：采用六面体结构化网格对计算区域模型进行网格划分，生成网格文件，网格图如图3所示。
步骤4：将网格文件导入Fluent软件，并通过Fluent软件进行水量提升特性计算。具体包括以下内容：
a、对网格进行检查，最小网格体积需大于0。
b、在Fluent软件中选择非稳态模型和Presure-Based求解器，因为水流在提升的过程中存在重力影响，因此在Presure-Based求解器中设置Z轴方向的重力加速度为-9.81m/s2。
c、在Fluent软件中选择湍流模型，具体为k-ε模型。
d、在Fluent软件中将转子区和定子区的材料均设置为水，转子区motion type设置为相对滑动，转速设置为50rad/s。
e、设置边界条件；具体的，采用MRF方法进行模拟，及将覆盖了搅拌器的转子区设置为旋转坐标系形式，将旋转问题变为非旋转问题，其中的搅拌器随着旋转坐标系转动并相对旋转坐标系静止；定子区的流体是静止的，从而将搅拌器1设置为运动壁面，水流上升筒2、喉管5、出水延伸筒4以及水流导流板3设置为静止壁面。
f、创建转子区和定子区的交界面，从而使两个区域的数据能够进行数据交换。
g、将动量方程、湍动能K以及湍动能耗散率ε采用一阶迎风格式进行离散，并在喉管5和出水延伸筒4中收集采样点，且采用SIMPLEC算法对喉管5和出水延伸筒4中各个采样点的水流压力和水流速度进行耦合计算。
h、流场初始化，点击Fluent软件中的Iterate对各采样点的水流压力和水流速度进行迭代计算，直至水流压力和水流速度的残差达到10-3，得到计算结果。
i、对计算结果采用CFD-Post软件导出搅拌器1的叶片各种倾角下喉管处的水流速度分布曲线图，通过在matlab中编写trapz函数，定义其中各项输入参数，并将由CFD-Post中导出的喉管处水流速度离散点导入trapz函数中进行梯度积分得到提升流量。
步骤5：通过比较出水延伸筒4出口处的水流流量，从而得出最优的混合充氧设备驱动结构设计方案。
具体的，如图4可以得知，搅拌器1叶片与水平面的夹角为45°时，喉管处的水流速度最快。另外，如图5所示，当出水延伸筒4与叶片的中心轴线所在的水平截面的半径为25cm时的流量最大，由于搅拌器1的半径为15cm，根据公式L＝R-r可知，当搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为10cm时水流量提升最大，其中，L为搅拌器叶片外缘与出水延伸筒的内壁的水平间距，R为出水延伸筒4与叶片的中心轴线所在的水平截面的半径，r为搅拌器1的半径。
如图6所示，搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为5cm时，水流主体垂直向上，但也因碰撞到水流导流板3而消耗部分动能。如图7所示，搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为10cm时，水流一部分垂直向上，一部分沿叶片和出水延伸筒4内壁之间的环形缝隙向下流动。如图8所示，搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为15cm时，水流一部分垂直向上，一部分依然沿叶片和出水延伸筒4内壁之间的环形缝隙向下流动，但开始有部分返混现象发生，消耗的动能将会增加。如图9所示，搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为20cm时，水流少部分垂直向上，一部分依然沿叶片和出水延伸筒4内壁之间的环形缝隙向下流动，但返混现象严重，消耗的动能将会大大增加。
进一步，如图10可以得知，出水延伸筒4与喉管5延伸线的夹角为15°时，即出水延伸筒的扩散倾角为15°时，喉管中的流量最大。根据上述方法可得出，搅拌器1叶片与水平面的夹角为45°、搅拌器1的叶片外缘与出水延伸筒4的内壁的水平间距为10cm以及出水延伸筒4的扩散倾角为15°时的混合充氧设备驱动结构其水量提升性能最佳。
如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建不同结构的混合充氧设备驱动结构的三维模型；所述充氧设备的三维模型包括水流上升筒(2)，与水流上升筒(2)连接的喉管(5)，与喉管(5)连接的出水延伸筒(4)，设在出水延伸筒(4)内并与出水延伸筒(4)之间形成曝气室的搅拌器(1)，设在出水延伸筒(4)上方的水流导流板(3)；
步骤2：将三维模型分为转子区和定子区，以建立三维模型的计算区域模型；
步骤3：对计算区域模型进行网格划分，生成网格文件；
步骤4：将网格文件导入Fluent软件，并进行水量提升特性计算；
步骤5：对计算结果进行分析，得出最优的混合充氧设备驱动结构设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述步骤1中构建不同结构的混合充氧设备驱动结构是指所构建的混合充氧设备驱动结构的搅拌器(1)的叶片与水平面的夹角不同，所构建的混合充氧设备驱动结构其搅拌器(1)的叶片外缘至出水延伸筒(4)的水平间距不相同，且所构建的混合充氧设备驱动结构的出水延伸筒(4)的扩散倾角也不相同。
3.根据权利要求1所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述步骤2中搅拌器(1)所覆盖的区域为转子区，水流上升筒(2)、喉管(5)以及出水延伸筒(4)所覆盖的区域为定子区。
4.根据权利要求1所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述步骤2中，转子区采用旋转参考系而定子区则采用静止参考系来建立计算区域模型。
5.根据权利要求1所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述步骤3中采用六面体结构化网格对计算区域模型进行划分。
6.根据权利要求1所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，步骤4中进行水量提升特性计算包括以下内容：
a、对网格进行检查，最小网格体积需大于0；
b、在Fluent软件中选择非稳态模型和Presure-Based求解器，并在Presure-Based求解器中设置Z轴方向的重力加速度为-9.81m/s2；
c、在Fluent软件中选择湍流模型；
d、在Fluent软件中将转子区和定子区的材料均设置为水，转子区motion type设置为旋转坐标系并设置转速；
e、设置边界条件，将转子区中搅拌器设置为moving wall，设置motion选项为相对速度Relative to Adjacent Cell Zone，运动形式为绕Z轴转动，且相对速度设置为0；
f、创建转子区和定子区的交界面；
g、将动量方程、湍动能K以及湍动能耗散率ε采用一阶迎风格式进行离散，并采用SIMPLEC算法对水流压力和水流速度进行耦合计算；
h、流场初始化，对水流压力和水流速度进行迭代计算，直至水流压力和水流速度的残差达到10-3，得到计算结果；
i、使用CFD-Post及Tecplot软件，对计算结果进行后处理。
7.根据权利要求6所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述c中的湍流模型为k-ε模型。
8.根据权利要求6所述的一种混合充氧设备驱动结构优化方法，其特征在于，所述e中设置边界条件包括搅拌器(1)设置为运动壁面，水流上升筒(2)、喉管(5)、出水延伸筒(4)以及水流导流板(3)设置为静止壁面。
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CN111072167A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 西安建筑科技大学 一种机械混合负压充氧机安装间距的确定方法
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