幂律型流体中气泡羽流附壁效应研究

【作者】 许晓飞； 董鑫； 刘凤霞； 魏炜； 王晓娟； 刘志军；

【机构】 大连理工大学流体与粉体工程研究设计所；

【摘要】 活性污泥法及其衍生的改良工艺广泛用于城市污水的处理。污水和活性污泥混合搅拌形成的混合液是典型的幂律型非牛顿流体,而污泥污水混合液鼓风曝气充氧是活性污泥法处理城市污水的必要过程。微孔曝气盘产生的气泡在上升过程中卷吸周围流体形成气泡羽流,在器壁附近气泡羽流会向壁面倾斜甚至贴着边壁流动,造成曝气装置产生的气泡在壁面附近大量聚集和融合而形成大气泡,影响羽流的运动行为,从而引起曝气量分布不均匀,削弱了气泡羽流的掺混效果和氧转移效率。本文利用高数摄像机和数字图像处理技术对清水和不同浓度的羧甲基纤维素钠水溶液(幂律型流体)中气泡羽流在附壁效应作用下的运动规律进行研究,考察曝气量和盘壁距离对气泡羽流振荡行为和偏移运动的影响规律。实验结果表明:(1)在清水中,不论附壁效应的强与弱,气泡羽流的振荡都与气泡羽流的高度和曝气量大小成正相关;附壁效应对气泡羽流的振荡具有抑制作用,从而限制曝气过程中气泡羽流的服务范围的扩展。盘壁距离较大时,曝气量对气泡羽流的偏移角度的影响不大;随着盘壁距离的减小,曝气量对气泡羽流偏移角度的影响逐渐增大。(2)在幂律型流体中,气泡羽流的振荡随高度上升而加剧,但曝气量的增大对振荡的促进作用不明显;浓度高的幂律型流体中,流变特性的作用更明显,其羽流振荡明显弱于清水和浓度低的幂律型流体中气泡羽流的振荡。浓度低的幂律型流体中,气泡羽流的偏移规律类似清水中羽流的偏移规律;随着幂律型流体浓度的增加,气泡羽流的偏移受到抑制,羽流的偏移主要受到盘壁距离作用,曝气量的影响不明显。基于量纲分析,确定气泡羽流偏移角度与修正的雷诺数Re、弗劳德数Fr和韦伯数We间的无量纲关联式。研究结果表明:在清水和浓度低的幂律型流体中,惯性力和表面张力对气泡羽流的偏移运动起主导作用;而在浓度高的幂律型流体中,随着流变特性的增强,惯性力和粘性力对气泡羽流的偏移运动的影响逐渐占据主导地位。此工作对保证污水处理过程中曝气充氧效率、优化曝气装置设计和控制出水水质都有一定的指导意义。更多还原