CN113636659A - 一种内置翼型式多进气进液射流曝气器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置翼型式多进气进液射流曝气器，包括曝气器壳体、导流片和进气管；曝气器壳体内设置有过流通道，过流通道沿水流方向依次包括圆形过流通道段、渐扩段和扁平状过流通道段，圆形过流通道段的横截面面积小于扁平状过流通道段的横截面面积；扁平状过流通道段中沿垂直于水流方向上设置有至少一组导流片组，每组导流片组包括两个导流片，每个导流片的两端与扁平状过流通道段的内壁连接，导流片的横截面为翼形；每个导流片的外侧表面上嵌套有进气管，进气管上设置有通气孔。本发明的曝气器可减弱流场的紊乱程度，提高曝气增氧效率，同时避免了不必要的损耗。

Description

一种内置翼型式多进气进液射流曝气器

技术领域

本发明属于环境设备技术领域，具体涉及一种内置翼型式多进气进液射流曝气器。

背景技术

在水污染问题持续难以得到很好解决和水资源日渐短缺的情况下，曝气增氧技术作为一种修复水体的重要方式，凭借其高能效低损耗且简单易操作的特点被广泛应用于环境工程水处理中。曝气器作为充氧的核心设备，可有效提高污染水体的溶解氧含量、激活好氧生物的活性、防止污泥沉降、保证空气与污泥和污水的充分接触等。

对于狭长形地形环境如河道、水坝等，目前常用的曝气器的过流通道多为圆形，气液混合水向四周均匀流动，无侧重方向，一定程度的造成了不必要的损耗，降低了曝气增氧修复水体的效率；曝气器的导流元件多为阻力较大的钝体，水流在装置内易回流形成涡，不仅造成能量损失，还会使得生成的气泡再次融合。

对于不对称地形(长、宽、高存在较大差异)环境，如河道、水坝等，目前常用的曝气器的过流通道多为圆形，气液混合水向四周对称均匀流动，无侧重方向，一定程度地造成了不必要的损耗，降低了曝气增氧修复水体的效率；曝气器的导流元件多为阻力较大的钝体，水流在装置内易回流形成涡，不仅造成能量损失，还会使得生成的气泡再次融合。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种内置翼型式多进气进液射流曝气器，解决了现有的曝气器在狭长形地形中曝气能耗高、曝气增氧效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种内置翼型式多进气进液射流曝气器，包括曝气器壳体、导流片和进气管；

所述曝气器壳体内设置有过流通道，所述过流通道沿水流方向依次包括圆形过流通道段、渐扩段和扁平状过流通道段，所述圆形过流通道段的横截面面积小于扁平状过流通道段的横截面面积；

所述扁平状过流通道段中沿垂直于水流方向上设置有至少一组导流片组，每组导流片组包括两个导流片，每个导流片的两端与扁平状过流通道段的内壁连接；所述导流片的横截面为翼形，导流片从头部至尾部沿水流方向延伸；每组导流片组中的两个导流片沿水流方向前后错位设置，且每组导流片组中的两个导流片的内侧表面面对面设置；

每个导流片的外侧表面上嵌套有进气管，所述进气管沿垂直于水流方向延伸，进气管的两端延伸至扁平状过流通道段的外部；所述进气管上设置有用于向扁平状过流通道段内通气的通气孔。

优选的，所述进气管位于导流片的最大负压处。

优选的，所述通气通道为沿所述进气管长度方向依次设置有多个的通气孔，所述通气孔轴线垂直于水流方向。

更优选的，所述通气孔的直径为0.1～1mm。

优选的，所述通气通道为沿所述进气管长度方向延伸的条缝，所述条缝的轴线垂直于水流方向。

更优选的，所述条缝的宽度为0.1～1mm。

优选的，所述进气管的内径为4～6mm。

优选的，所述扁平状过流通道段的通道横截面形状为方形，方形通道的长宽比为1:1～8:1，其中宽边为与导流片端部连接的边。

优选的，以导流片头部最边缘为圆心、平行于水流平面方向为x轴、垂直于水流平面方向为y轴建立xy坐标系，所述导流片的外侧边y₁、内侧边y₂分别满足以下关系式：

y₁＝-9.2796x⁶+29.319x⁵-35.987x⁴+21.927x³-7.5012x²+1.5114x+0.0084；

y₂＝4.242x⁶-14.596x⁵+19.534x⁴-12.748x³+3.8896x²-0.3139x-0.0065。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的曝气器的过流通道设置有一段扁平段，有别于传统曝气器的圆型出口，考虑到实际应用环境，如河道等，特殊的地形特点和装置的放大效应，本发明的扁平状出水口形状的曝气器受环境限制较小，应用更为广泛；避免造成了不必要的损耗，增加了曝气增氧修复水体的效率；

(2)本发明两个翼型导流片错位放置的结构具有一定的单向导通的作用，两个错位布置的翼型叶片整体形成一个长轴与过流通道相互平行的椭圆形状，混掺气泡的水流无法回流形成漩涡避免生成的气泡再次融合。另外，水流在流经导流片时由于翼型导流片形状的改变使得通流面积不断发生改变，与扁平状过流通道段匹配使得水流速度不断变化，减弱流场的紊乱程度，提高曝气增氧效率。

本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的曝气器的结构示意图。

图2是本发明实施例记载的曝气器另一视角下的结构示意图。

图3是本发明实施例记载的导流片结构示意图。

图4是本发明实施例记载的加工有通气孔的进气管结构示意图。

图5是本发明实施例记载的加工有条缝通气通道的进气管结构示意图。

图6是本发明示意的两组导流片组的布置示意图。

图7是本发明实施例记载的导流片内、外侧面曲线图所在坐标系。

图8是本发明实施例的曝气器的模型图。

图9是曝气器模型的压力云图。

图10是上方导流片的外侧表面的压强分布曲线。

图11是下方导流片的外侧表面的压强分布曲线。

图12是导流片附近的水流速度云图。

图13是本发明实施例记载的曝气器产生的气泡粒径累计分布图。

图14是现场曝气效果图。

图中各标号说明：1-曝气器壳体，2-导流片，3-进气管；

11-圆形过流通道段，12-渐扩段，13-扁平状过流通道段；

21-进气管安装孔，22-外侧表面，23-内侧表面；

31-通气通道。

具体实施方式

本发明中，导流片的“头部”是指导流片尺寸较大的一端，导流片的“尾部”是指尺寸较小的一端，也指导流片的尖端部位。

翼形导流片的外侧表面22是指靠近通道内壁面的一侧表面，也指弧度较大的一侧面；翼形导流片的内侧表面23是导流片的两个表面中相对于外侧表面的另一表面，也指弧度较小的一侧面。图6所示两个曲线为外侧表面所在边和内侧表面所在边，即本发明中所述的“外侧边”和“内侧边”。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

本发明实施例公开了一种内置翼型式多进气进液射流曝气器，如图1和图2所示，该曝气器包括曝气器壳体1、导流片2和进气管3。

曝气器壳体1内设置有过流通道，过流通道沿水流方向依次包括圆形过流通道段11、渐扩段12和扁平状过流通道段13，圆形过流通道段11的横截面面积(指垂直于水流方向的截面)小于扁平状过流通道段13的横截面面积，本实施例的扁平状过流通道段13的通道横截面形状为方形，方形通道的长宽比为1:1～8:1，其中宽边为与导流片2端部连接的边，即图1中的l。

其中，圆形通道可减少接触面积、减小阻力，提高进入扁平状过流通道段13的水流速度和剪切力，渐扩段避免扁平状过流通道中形成大的旋涡，扁平状过流通道段有别于传统曝气器的圆型出口，考虑到实际应用环境如河道等特殊的地形特点和装置的放大效应，扁平状出水口形状的曝气器受环境限制较小，应用更为广泛。

扁平状过流通道段13中沿垂直于水流方向上设置有至少一组导流片组，此处的垂直于水流方向是指竖直方向。每组导流片组由两个沿扁平状过流通道段的中心线对称设置的导流片2组成，每个导流片2的两端与扁平状过流通道段13的内壁连接，具体采用胶粘结方式连接。导流片2的横截面(即图1中导流片所示的截面)为翼形，每组导流片组中的两个导流片2的内侧表面23面对面设置，如图6所示。导流片2从头部至尾部沿水流方向延伸(即导流片2平行于水流方向设置)，水流在流经导流片2时由于导流片2形状的改变使得通流面积不断发生改变，使得水流速度不断变化，减弱流场的紊乱程度，提高曝气增氧效率。每组导流片组中的两个导流片2沿水流方向前后错位设置，两个导流片2错位放置的结构具有一定的单向导通的作用，混掺气泡的水流无法回流形成漩涡避免生成的气泡再次融合。本实施例的导流片的组数为一组，如图1所示。且两个导流片2的尺寸大小不同，使得两个导流片2整体形成一个椭圆形状，椭圆形导流元件的阻力较小，流动效果好。

也可多增加几组导流片数量，如图6所示为两组导流片组，两组以上按照图6所示方式沿垂直于水流方向依次增加即可。设置多组导流片组可改变流场流动规律，还可增加进气量和微泡产生数量。

本发明的曝气器壳体1的外部形状不作特别的限定，本实施例所给出的曝气器壳体1的圆形过流通道段11的外部轮廓为圆柱形，渐扩段12和扁平状过流通道段13的外部轮廓均为长方体结构。

本发明的曝气器壳体1的材质不作特别的限定，本实施例为了方便观察曝气情况，将曝气器壳体1设置为透明材质，如图13所示。

本实施例的导流片2的形状依据雷诺数、升力系数和阻力系数的关系进行最优选取。以导流片2最头部边缘处为圆心o、平行于水流平面方向为x轴、垂直于水流平面方向为y轴建立xy坐标系，如图7所示，导流片2的外侧边y₁和内侧边y₂分别满足以下关系式：

外侧边：y₁＝-9.2796x⁶+29.319x⁵-35.987x⁴+21.927x³-7.5012x²+1.5114x+0.0084；

内侧边：y₂＝4.242x⁶-14.596x⁵+19.534x⁴-12.748x³+3.8896x²-0.3139x-0.0065。

本发明的外侧边y₁和内侧边y₂不只限定于上述表达形式，在装置尺寸发生变化时，外侧边y₁和内侧边y₂的表达形式通过改变公式系数按相应比例大小缩放翼型叶片即可。

满足上述形状的导流片2在有效增加水流剪切力的同时，对流场产生的阻力影响最小。

每个导流片2的外侧表面22上设置有进气管安装孔21，进气管3嵌套在进气管安装孔21中，本实施例的进气管3的内径为4～6mm，范围大小的选取是依据在最大负压处翼型叶片的厚度所决定。进气管3沿垂直于水流方向延伸，此处的“垂直于水流方向”是指水平方向。进气管3的两端延伸至扁平状过流通道段13的外部，具体的，扁平状过流通道段13的外壁上设置有通孔14，用于插入进气管3。进气管3上设置有通气通道31，用于向扁平状过流通道段13内通气。

本实施例的通气通道31为沿进气管3长度方向依次设置有多个的通气孔或者沿进气管3长度方向延伸的条缝，分别如图4和图5所示。

具体的，当通气通道31为多个通气孔时，通气孔31的直径为0.1～1mm，利用激光打孔在进气管3加工微米级均匀圆型通气孔。通气孔轴线垂直于水流方向，以产生最大剪切力。

当通气通道31为条缝时，条缝的宽度为0.1～1mm，条缝的长度为进气管3长度的50％～70％。同样，条缝的轴线垂直于水流方向，以产生最大剪切力。

本实施例通过在导流片2处设置进气管3进气，安放位置不会对流场产生任何影响。

另外，由于进气管3两端均与外界贯通，一端可用于加注气体，一端用于加注培养液，解决现有的曝气装置只有进气口，无法加注好氧生物培养液，功能用途单一；使得本发明的装置在曝气增氧的同时，培养液在通气通道31散化、水流剪切的先后作用下，形成直径范围更小的培养液滴，更容易被好氧生物所吸收激活好氧生物的活性，有利于降解水污染中的有害物。

本实施例还可通过调整通气孔的数量及直径、通气条缝的长度及宽度控制进气量和初始气泡直径，解决了现有的曝气装置产生的气泡直径不可控，生成的气泡大小不均匀，气泡容易融合，影响曝气效果。

本实施例的进气管3位于导流片的最大负压处，便于进气管3的自主进气，同时避免不必要的负压损失。本实施例具体利用CFD(计算流体动力学)模拟方法确定最大负压位置：

首先，利用ICEM进行建模并进行网格划分，网格数目为142300个，且对导流片2处进行局部加密，可最大程度保证计算的精度，模型如图8所示。

然后，对模型进行数值模拟计算，计算时采用压力入口和压力出口边界条件，入口压力值为196000Pa，出口压力为大气压，如图9为压力云图，图中颜色最深的区域为负压区，可以看出，导流片2的上表面存在负压区域，可保证气体自主进入。

图10和图11所示分别为两个导流片的外侧表面的压强分布曲线，图中，横坐标为导流片在曝气器的水平位置距离，纵坐标为在曝气器垂直高度方向上的压力值，在曲线拐点处为负压最大值，最大负压值约为-48332Pa，实验测得进气量约为5L/min，气水比值约为1/10。说明在曲线拐点处设置进气管，可以最大程度的保证气体的吸入。

图12所示为导流片附近的水流速度云图，可以看出，在进气位置处水流流速较大，大小可达28m/s，流量大小为2.83m³/h，计算得剪切力值大小可达7.2×10⁴Pa，可保证足够大小的水流剪切力对气泡进行剪切。

对本发明上述实施例记载的内置翼型式多进气进液射流曝气器的曝气效果进行测试，测试过程中采用的测试仪器为ZETA电位仪，测试温度为25℃，具体实验步骤为：

在测试水箱中加入40L超纯水，用本实施例的内置翼型式多气射流曝气器曝气2分钟后取水样；将水样静置25分钟后用ZETA电位仪测量气泡粒径累计分布，如图13所示。图13的横坐标为气泡直径大小，单位为纳米，纵坐标为气泡与水溶液体积百分比。从图13中可以看到，所生成的气泡直径大小存在两个区间，第一个区间中气泡直径大小集中在1～10nm之间，在直径3.117nm处达到峰值，占比约为25％；第二个区间的气泡直径大小范围为100～200nm，在140.1nm处达到峰值，体积占比约为10％。

图14所示现场曝气照片，图中乳白色部分为所生成的微纳气泡，经测量，曝气后静置25min的水样中气泡粒径范围为200～300nm。

综上，说明本次曝气生成大量直径较小的微纳气泡。

Claims (9)

1.一种内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，包括曝气器壳体(1)、导流片(2)和进气管(3)；

所述曝气器壳体(1)内设置有过流通道，所述过流通道沿水流方向依次包括圆形过流通道段(11)、渐扩段(12)和扁平状过流通道段(13)，所述圆形过流通道段(11)的横截面面积小于扁平状过流通道段(13)的横截面面积；

所述扁平状过流通道段(13)中沿垂直于水流方向上设置有至少一组导流片组，每组导流片组包括两个导流片(2)；每个导流片(2)的两端与扁平状过流通道段(13)的内壁连接；所述导流片(2)的横截面为翼形，导流片(2)从头部至尾部沿水流方向延伸；每组导流片组中的两个导流片(2)沿水流方向前后错位设置，且每组导流片组中的两个导流片(2)的内侧表面(23)面对面设置；

每个导流片(2)的外侧表面(22)上嵌套有进气管(3)，所述进气管(3)沿垂直于水流方向延伸，进气管(3)的两端延伸至扁平状过流通道段(13)的外部；所述进气管(3)上设置有用于向扁平状过流通道段(13)内通气的通气通道(31)。

2.如权利要求1所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述进气管(3)位于导流片的最大负压处。

3.如权利要求1所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述通气通道(31)为沿所述进气管(3)长度方向依次设置有多个的通气孔，所述通气孔轴线垂直于水流方向。

4.如权利要求3所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述通气孔的直径为0.1～1mm。

5.如权利要求3所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述通气通道(31)为沿所述进气管(3)长度方向延伸的条缝，所述条缝的轴线垂直于水流方向。

6.如权利要求5所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述条缝的宽度为0.1～1mm。

7.如权利要求1所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述进气管(3)的内径为4～6mm。

8.如权利要求1所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，所述扁平状过流通道段(13)的通道横截面形状为方形，方形通道的长宽比为1:1～8:1，其中宽边为与导流片(2)端部连接的边。

9.如权利要求1所述的内置翼型式多进气进液射流曝气器，其特征在于，以导流片(2)头部最边缘为圆心、平行于水流平面方向为x轴、垂直于水流平面方向为y轴建立xy坐标系，所述导流片(2)的外侧边y₁、内侧边y₂分别满足以下关系式：

y₁＝-9.2796x⁶+29.319x⁵-35.987x⁴+21.927x³-7.5012x²+1.5114x+0.0084；

y₂＝4.242x⁶-14.596x⁵+19.534x⁴-12.748x³+3.8896x²-0.3139x-0.0065。

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