一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，具体涉及一种等温层曝气器曝气室表观 水流速度的预测方法。
【背景技术】
[0002] 水温分层现象广泛存在于水深较大的湖泊水库，是引起此类水体水质问题的重要 诱因.。一旦湖泊水库水温分层，跃温层会阻碍表层变温层和底部等温层水体之间物质和 能量的交换，同时底部等温层水体由于受各种生物或化学反应而消耗溶解氧，使等温层水 体溶解氧浓度逐渐降低，甚至为零。在缺氧或厌氧条件下，湖库底泥中的有机与无机污染物 会向底部水体释放和溶解，导致湖库水质的内源污染。对于作为饮用水水源的湖库，湖库底 泥释放的有机物质、氮、磷为藻类的生长提供营养盐，在气温较高的季节引起藻类的大量繁 殖，增加饮用水处理难度和成本。
[0003] 等温层曝气是目前解决分层湖库内源污染的主导技术，主要是在不破坏水温分层 的前提下提高等温层水体溶解氧浓度，抑制湖库底泥中内源污染物的释放，同时给冷水生 物提高良好的栖息场所。其结构可基本简化为一种通用型式（图1)，它主要包括进水口、曝 气室、顶部气液分离区、下降区和出水口等。气体通过气体释放器进入曝气室后，气体中的 氧与水发生传质，增加出水的溶解氧浓度，未能溶解的残余气体会缓慢进入等温层之上水 体。
[0004] 曝气室内表观水流速度与曝气量、曝气孔径、曝气室结构、流体特性相关，并直接 影响曝气室内的充氧效率和等温层水体的溶解氧改善效果；但由于对曝气室内气液两相流 的复杂行为缺乏准确合理的数学表征，曝气室内表观水流速度的预测精度欠佳，如Ashley 的经验模型以及Little的能量平衡模型，以及气泡涡流产生的能量损失的表达式不能很 准确表达该能量损失，从而导致绝大多数等温层曝气器设计不合理，不同程度地存在使用 效果不理想的实际问题。有基于此，非常有必要建立一种能准确预测表观水流速度的新模 型及其求解方法，以指导等温层曝气器的设计和运行优化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述等温层曝气器运行效果不佳和曝气室表观水流速度 预测精度低的问题和不足，提供了一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
[0007] -种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，包括以下步骤：
[0008] 1)分析等温层曝气器曝气室内水流运动的净输入能量和总损失能量的组成，确定 基于气体膨胀做功的净输入能量和曝气室和下降区边壁、进出口、顶部、涡流所产生的能量 损失的数学表达式；
[0009] 2)根据能量守恒原理，建立等温层曝气器曝气室内水流运动的净输入能量和总损 失能量的能量平衡方程；
[0010] 3)根据气含率的概念，建立等温层曝气器曝气室内气含率与表观气速、表观水流 速度和气液相对滑移速度的方程；
[0011] 4)联立等温层曝气器曝气室内能量平衡方程和气含率的方程，建立基于MATLAB 真域算法的求解方法，计算可得不同曝气室结构及曝气条件下的等温层曝气器曝气室表观 水流速度。
[0012] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，具体分为如下步骤：
[0013] 1-1)根据曝气室内气体膨胀做功产生的总能量等效于在曝气室内外净水头差产 生的总势能的原理，曝气室内水流运动的净输入能量h用公式（4)计算如下：
[0014] P!=PIr_PId={Pf(P丄elr+pgegr)}gHr_{pf(P丄eld+pgegd)}gHd ⑷
[0015] 式中：匕,为曝气室气体等温膨胀输入能量，pa;PId为下降区气体等温膨胀输入能 量，pa;Pi为水的密度，kg/m3;e&为曝气室水的体积分率；eld为下降筒水的体积分率；PgS气体的密度，kg/m3;e#为曝气室气体的体积分率；egd为下降筒气体的体积分率；g 为重力加速度，m/s2;H 曝气室内水深，m;Hd为下降筒内水深，m;
[0016] 1-2)曝气室顶部产生的能量损失PT用公式（13)计算；根据等温层曝气器的实际 运行数据，确定了公式（13)中顶部能量损失系数&的无量纲表达式，并用公式（15)表示；
【主权项】
1. 一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 分析等温层曝气器曝气室内水流运动的净输入能量和总损失能量的组成，确定基于 气体膨胀做功的净输入能量和曝气室和下降区边壁、进出口、顶部、涡流所产生的能量损失 的数学表达式； 2) 根据能量守恒原理，建立等温层曝气器曝气室内水流运动的净输入能量和总损失能 量的能量平衡方程； 3) 根据气含率的概念，建立等温层曝气器曝气室内气含率与表观气速、表观水流速度 和气液相对滑移速度的方程； 4) 联立等温层曝气器曝气室内能量平衡方程和气含率的方程，建立基于MATLAB真域 算法的求解方法，计算可得不同曝气室结构及曝气条件下的等温层曝气器曝气室表观水流 速度。
2. 根据权利要求1所述的一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，其特征 在于，步骤1)中，具体分为如下步骤： 1-1)根据曝气室内气体膨胀做功产生的总能量等效于在曝气室内外净水头差产生的 总势能的原理，曝气室内水流运动的净输入能量h用公式（4)计算如下： Pi-PIr_Pld- {P1_(P1e lr+Pge gr)}gHr- {Pf(Pield+Pgegd)}gHd (4) 式中：Ph为曝气室气体等温膨胀输入能量，pa;PId为下降区气体等温膨胀输入能量，pa;Pi为水的密度，kg/m3;e&为曝气室水的体积分率；eld为下降筒水的体积分率；p8为 气体的密度，kg/m3;e#为曝气室气体的体积分率；egd为下降筒气体的体积分率；g为重力 加速度，m/s2;H曝气室内水深，m;Hd为下降筒内水深，m; 1-2)曝气室顶部产生的能量损失PT用公式（13)计算；根据等温层曝气器的实际运行 数据，确定了公式（13)中顶部能量损失系数&的无量纲表达式，并用公式（15)表示；
式中：&为曝气室顶部能量损失系数；V&为曝气室内水流速度，m/s;
式中人为曝气室横截面积，m2;
式中：Ad为下降筒横截面积，m2;
式中：R"为曝气室雷诺数；
式中：ui为水的粘度，N.s/m2;
式中：Q#为曝气室曝气量，m3/s; 1-3)曝气室内涡流产生的能量损失？"用公式（14)计算；根据等温层曝气器的实际运 行数据，确定了公式（14)中涡流能量损失系数1("的无量纲表达式，并用公式（17)表示；
式中：&为曝气室涡流能量损失系数；D,为曝气室相对轴心的直径，m为中心管直 径?m为萌费德翁，
式中：g为为重力加速度，m/s2; 1-4)曝气室和下降区边壁的能量损失PFjPPFd分别采用公式（7)和（12)计算：
式中：CF,为曝气室边壁摩擦阻力系数；Uk为曝气室内表观水流速度，m/s;Ug，为曝气室 内表观气速，m/s;
式中：CFd为下降筒边壁摩擦阻力系数；Uld为下降筒内表观水流速度，m/s; 1O曝与宕徘,屮,n?^生的能畺榀
田公才Hq)诂管. 式中：KEn为曝气室底部入口处局部水头损失系数；KEx为下降筒底部出口处局部水头损 失系数；UEx为下降筒底部出口处表观水流速度，m/s;
式中：AEx为下降筒底部出口处横截面积，m2。
3. 根据权利要求书2所述的一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，其特 征在于：步骤2)中，等温层曝气器曝气室内水流运动的净输入能量和总损失能量的能量平 衡方程如下式所示： Pj=PT+PE+Pff+PF(1) 式中A表示曝气室内水流运动的净输入能量，PT、PE、PW、PF分别表示曝气室顶部、进出 口、气泡涡流和曝气室边壁产生的能量损失。
4. 根据权利要求书2所述的一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，其特 征在于：步骤3)中，等温层曝气器曝气室内气含率与表观水流速度之间关系表示如下：
气液相对滑移速度vb与气泡直径rb的关系如下： 当rb< 7Xl(T4m时，Vb= 4474rb1 357; 当7X1(T4彡rb彡5. lXl(T3m，Vb= 0? 23 ; (22)当rb> 5. 1 X l(T3m，Vb= 4. 202rb0.547。
【专利摘要】本发明公开了一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法，包括以下步骤：首先建立曝气室内水流运动的净输入能量和边壁损失、进出口损失、顶部损失、涡流损失能量的数学表达式，确定顶部损失及涡流损失能量的无量纲能量损失系数，建立曝气室内水流运动的净输入能量和总损失能量的能量平衡方程；确定气液相对滑移速度，建立曝气室内气含率与表观气速、表观水流速度和气液相对滑移速度的耦合方程；联立曝气室内能量平衡方程和气含率的方程，建立基于MATLAB真域算法的求解方法，计算不同曝气室结构及曝气条件下的曝气室表观水流速度，采用本发明的预测误差在±8％以内，明显优于现有其他方法的预测误差(±20％)。
【IPC分类】G06F19-00, C02F7-00
【公开号】CN104615864
【申请号】CN201510025984
【发明人】孙昕, 段飞飞, 刘凌伟, 朱丽鹏
【申请人】西安建筑科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月19日