张 卫1，李浙昆2
(1.重庆三峡学院 机械工程学院，重庆 404100；2.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)
摘 要：在气浮净水技术中，气泡大小是决定气浮质量的关键因素。研究了结合自吸、剪切流和微孔成泡的一种新型微泡发生器，应用Fluent软件对其各种结构参数的情况进行模拟仿真，并得出各个结构参数对其性能影响的规律，在理论上为该微泡发生器的设计提供了依据。
关键词：水处理；微泡发生器；自吸；剪切流；微孔
气浮净水技术是一种将大量的、高度分散的微气泡通入待处理水中，使之与待处理水中的杂质絮粒相粘附，使微泡和絮粒形成的整体密度小于水，从而上浮到水面的净水技术。这种方法源于矿物浮选[1]。在20世纪初就有气浮法用于水处理的报道[2]，发展至今，气浮法净水除了在水处理中去除悬浮微小泥沙颗粒、植物腐败残渣、藻类、微生物及虫卵和工业废水中的金属离子、油滴、纤维及其他杂质外，还用于蛋白质分离、除臭、藻类的采收，果汁净化，蔗糖除杂和放射性元素的控制等很多方面[3]。气浮法是一种非常有应用前景的技术。
气浮净水技术关键是制造出适合于水处理的微泡，因此微泡发生器成为研究的重点。研究结果表明，微泡直径控制在10～100 μm净水效果较好，因此能够产生直径为10～100 μm的微泡是适用于水处理的微泡发生器的重要性能。
目前，气浮净水技术中常见的是压力溶气气浮，其产生的气泡一般都在20～100 μm，吴胜军等[4]的研究结果表明，使用多孔材料(陶瓷微孔膜管)与水流的剪切作用，所产生的气泡直径为15～50 μm。本文研究的一种新型微泡发生器是在此基础上结合文丘里管产生负压的特性，使微泡发生器达到自吸的效果。
对于这种自吸式剪切流微孔微泡发生器，其适用于杂质含量较少，且杂质颗粒较小的情况。因为工作时，气流是垂直于陶瓷微孔膜管内壁射出，所以几乎不会有堵塞微孔的情况，加之微孔平均直径约为3 μm，因而在工艺参数适当的情况下产生的气泡非常适合于水的净化。
微泡发生器的结构示意图如图1所示。其中，α为入口半锥角；β为出口半锥角；L为喉管长度；D为入口和出口锥管大端直径；d为陶瓷多孔膜管内径。
图1 微泡发生器结构示意图
水流以一定速度从入口进入，从出口流出。根据流体力学中伯努利方程和连续性方程可知，喉管内水流速度大于入口处的速度，同时压力会小于入口的压力。当入口速度增加到一定值，喉管内能够产生小于外部大气压(设大气压值为0，下同)的负压值，此时负压通过陶瓷微孔膜管管壁传递到气室，空气从空气入口进入气室，再通过陶瓷多孔膜管管壁在膜管内壁产生气泡，气泡还没长大时就被水形成的剪切流带走，形成微泡进入水体从出口流出。这就是这种微泡发生器的工作原理。
为了研究结构参数对微泡发生器性能的影响，应用Fluent软件对每个参数进行了研究。为了便于模拟仿真，对图1所示的结构进行了简化，将气室和空气入口省略(见图2)。左边端面为水流入口，右边端面为微泡和水流出口，陶瓷微孔膜管外表面为空气入口。
图2 简化后的计算区域
为了便于讨论α、β、L、d这几个参数对微泡发生器性能的影响，设D为固定值30 mm。
2.1 α值对微泡发生器性能的影响
设L=100 mm，β=8°，d=8 mm。设水流入口为速度入口，速度为0.8 m/s。设空气入口为压力入口，出口为压力出口，压力均为0 Pa。定义陶瓷微孔膜管透气率为0.05 m3/(m2·kPa·h)。α值按照8°、10°、15°、20°、25°和30°分别进行建模，然后划分网格，再导入Fluent软件中进行计算。计算收敛后，其沿轴线上的压力分布曲线和出口体积含气率曲线分别如图3和图4所示。
图3 随α角的变化轴线上的压力曲线图
图4 随α角的变化出口体积含气率曲线图
由图3可以看出，随着α值的增加，喉管内的负压值几乎没有任何变化，但入口压力随着α值的增加而增加，这说明入口端输入功率随着α值的增加而增加。由图4可以看出，出口体积含气率随α的变化不大。
由此可见，α值应尽量设计得小些，这样可以有效地提高制造微泡的效率。根据流体力学及工程应用的相关结论[5]，逐渐收缩管中压头损失最小的圆锥角为20°～40°(α角为10°～20°)，因此α的设计角度应该在10°～20°内尽量取小值。为了讨论β、L和d的影响，这里将α确定为10°。
2.2 β值对微泡发生器性能的影响
同α值的研究方法一样，设α=10°，L=100 mm，d=8 mm，边界条件与讨论α值时设置相同，β值按照6°、8°、10°、15°、20°和25°分别进行建模，然后划分网格，再导入Fluent软件中进行计算。其轴线上的压力分布曲线和出口体积含气率曲线分别如图5和图6所示。
图5 随β角的变化轴线上的压力曲线图
图6 随β角的变化气相体积含气率曲线图
由图5可以看出，随着β角的增大，喉管内的负压值(取绝对值，下同)也增加，而入口压力随着β值得增加而增加。喉管内负压值的增加有利于空气被吸入，而入口压力增加则说明微泡发生器的性能降低。从图6可以看出，出口体积含气率随β角的增大而逐渐降低。
β值应在制造工艺等条件下设计为较小的值。为了便于L和d值的讨论，将β值定为8°。
2.3 L值对微泡发生器性能的影响
将α、β和d分别设定为10°、8°和8 mm，边界条件与讨论α值时设置相同，L值按照100、120、150、200和280 mm分别进行建模；然后划分网格，再导入Fluent软件中进行计算。其轴线上的压力分布曲线和气相体积含气率曲线图分别如图7和图8所示。
图7 随L值的变化轴线上的压力曲线图
图8 随L值的变化体积含气率曲线图
由图7可以看出，随着喉管长度L的增加，喉管内产生的负压值逐渐减小，入口压力逐渐增加，说明随着喉管长度的增加，微泡发生器入口的输入功率逐渐增加。由图8可以看出，其出口体积气含率随喉管长度的增加而逐渐增加。
由此可见，虽然喉管内的负压值有所减小，但其透气面积的增加使得体积含气率增加，因此增加喉管长度有利于提高微泡发生器性能。为了研究喉管内径d对微泡发生器性能的影响，将喉管长度定为280 mm。
2.4 喉管内径对微泡发生器性能的影响
将α、β、L分别设定为10°、8°和280 mm，边界条件与讨论α值时设置相同，d值按照6、8、10和12 mm分别进行建模、网格划分；然后再导入Fluent软件中进行计算。其轴线上的压力分布曲线和体积含气率的曲线图分别如图9和图10所示。
图9 随d值的变化轴线上的压力曲线图
图10 随d值的变化气相体积含气率曲线图
由图9可以看出，随着喉管直径的增加，需要的入口压力减小很快，喉管内的负压值减小也很快。从图10可以看出，体积含气率随着喉管内径的增加含气率减小也相当快。
由此可见，对于吸气性能来说，喉管直径小，吸气量更大，但消耗的能量也越多。
在上述喉管内径对微泡发生器性能影响的分析中，当喉管d=6 mm时，计算出来的轴线上的压力曲线和含气率曲线是不真实的。因为此时喉管内轴线上的绝大部分负压值超过了-101.325 kPa(负的标准大气压值)；而在20 ℃，水的空化压力约为标准压力2.4 kPa[6]，即约为-98.9 kPa时，出现空化现象，使得喉管内的压力不能无限制的降低，而维持在约为-98.9 kPa，但此时喉管内的湍动能比没有产生空化现象的情况下大很多。湍动能大，对于小气泡并聚后的大气泡的重新破碎是有利的，但水处理时水中的絮凝体的破坏对水处理的最终效果起到了负面影响，此时利弊的权衡需要试验来确定。
对于这种微泡发生器的设计，通过上述模拟分析得出如下结论。
1)入口半锥角在10°～20°内尽量取小值，以提高其效率。
2)出口半锥角尽量取小值，同样可以提高其效率。
3)喉管长度根据所需要的体积含气率来确定。喉管长度越长，相同的水流率的情况下体积含气率越大，且相同的入口气流率的情况下，更容易产生微泡。
4)喉管内径根据实际情况选择适当数值。若喉管内径过大，产生的负压较小，吸气量不足；反之，在喉管容易产生空化，且产生较大的湍动能，不利于气浮净水工艺。
参考文献：
[1] Edzwald J K, Principles and applications of dissolved air flotation[J]. Water. Sci. Tech., 1995, 31(3/4):1-23.
[2] 徐振华，赵红卫，方为茂. 气浮净水技术的理论及应用[J].四川化工，2005(4):49-51.
[3] Rubio J, Souza M L, Smith R W. Overview of flotation as a wastewater treatment technique[J]. Minerals Engineering, 2002(15):139-155.
[4] 吴胜军，方为茂，赵红卫，等.高速剪切流剪切形成微气泡的研究[J].水处理技术，2009，35(5)：44-48.
[5] E·约翰芬纳莫尔，约瑟夫B·弗朗兹尼. 流体力学及其工程应用[M].钱翼稷，等译.北京：机械工业出版社，2009.
[6] 夏泰淳.工程流体力学[M].上海：上海交通大学出版社，2006.
责任编辑 郑练
Research on Theory of a Kind of New Micro-bubble Generator
ZHANG Wei1, LI Zhekun2
(1.College of Mechanical Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract：The micro-bubble diameter is the key factor of the flotation quality in the water purification technology by flotation. A micro-bubble generator combined with self-sucking, cross-flow and micropore bubble was introduced. The simulations of its various structure parameters were done by Fluent software. the laws that its performance influenced by various structural parameters were obtained, it provided basis for the design of this micro-bubble generator.
Key words：water treatment, micro-bubble generator, self-sucking, cross-flow, micropore
中图分类号：TD 456
文献标志码：A
作者简介：张卫(1981-)，男，助教，主要从事机械结构等方面的研究。
收稿日期：2016-10-10
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