基于CFD数值模拟的曝气装置内部流场分析

CFD（计算液体动力学，Computer Fluid Dynamics）综合利用计算数学、近代流体力学和计算机相关知识数值模拟和可视化处理，探索各种流体流动和传热等物理现象的机理，实现对其准确预报和分析。CFD在装置内部流域数值模拟方面应用广泛，特别是通过对流域进行气液两相流分析可以较为直观地获取气液两相的流动以及压力、速度等指标的变化情况，进而获取气液两相在流域内的变化规律。应用CFD技术能够为装置内部流域的改进提供理论依据，同时能够为装置的设计优化及加工降低成本。CFD分析软件数值模拟流程主要包括：前处理、求解器和后处理。

1. 数值模拟前处理

数值模拟前处理的目的是：确定几何模型，生成便于计算的网格文件，定义液体特性及边界条件，便于后续的求解。前处理主要包括：几何建模、网格生成、液体特性、边界条件。

1.1 几何建模

几何建模是CFD仿真分析的基础。Fluent 软件分析计算前，首先要几何形状定义和构建流域（即CFD计算域）。几何建模准确表现所研究物理对象的特征，能方便下一步风格划分工作。

由于本文需要几何建模的微纳米曝气增氧装置流域为众多叶片生成的变螺距螺旋孔道，而ANSYS自带的DM和ICEM CFD 等模块对复杂模型的构建功能不强、操作相对麻烦且精度不高，本文选用针对复杂模型建模的几何建模软件Solidworks，然后将模型转化为网格生成软件可识别的STEP接口文件并导入网格生成软件。

装配模型Solidworks建模过程：1、画出叶片轮廓后进行凸台拉伸，绘制出叶片实体；2、绘制圆柱体轴件，然后在其上通过3D草图中的方程式驱动，输入等径变螺距螺旋曲线的方程（见公式2-1），建立三维曲线，然后在轴件一端画出凹槽形状（为便于切除，凹槽形状应绘制的比所需凹槽稍大），最后通过扫描切除功能得到带有凹槽的轴件；3、前两步获得的两个零件文件通过装配体文件模式，将叶片按逐个装配到轴件上，被装配的叶片必须与已有装配体进行三个自由度的固定（若受电脑性能限制，可通过另存分多次装配形成一个完整的装配体并另存为整个实体）；4、导流锥通过直角三角形绕垂直于轴件断面的边360°旋转添加；5、所需的最终实体模型零件装配完成后，绘制直径与叶片相同的圆柱体，布尔运算对实体零件抽壳，通过删减即可获得流域部分实体，也即数值模拟所需的流道模型。

光滑模型Solidworks建模过程：由于叶片表面为对称形状，可首先绘制叶片的四分之一，选择叶片表面作为参考平面，通过圆周陈列，即可得到一个完整的叶片表面。选择叶片表面为参考平面，通过3D草图中的方程式驱动，输入等径变螺距螺旋曲线的方程（见公式（1））即可获得光滑的叶片装配体，通过内径圆柱体（截面与轴件相同）和外径圆柱体（截面与外壳内径相同）。通过布尔运算和圆锥绘制即可获得流域。

具体模型见所示，图3-1左侧为经过叶片轴件装配完成，其能对叶片的刃口进行表征，而右侧是方程式驱动下完成的光滑的模型，其不能表征叶片的刃口特征。

1.2 网格划分

网格质量直接影响CFD计算精度和速度，因此结构较好的网格可保障计算结果的准确性、避免计算不稳定或不收敛及增大最终收敛的可能性。因本体流域模型为变螺距螺旋结构，结构网格只适用于简单规则的模型，而非结构网格可划分任意形状和连通区域的网格，所以本文选用自适应性较好的非结构网格。总体来说，计算网格越密则计算精度越高。因此对敏感区域的网格要进行加密处理，而对于非敏感区域加密，要综合考虑计算资源（内在、CPU、硬盘）开销程度和计算精度的提高。实际应用中，几何模型构建时要尽量表现其特征同时要对特征区域进行加密使特征区域网格满足网格质量的要求。

本次网格划分采用ANSYS中Workbench板块的Meshing软件，将Solidworks构建的几何模型转换成STEP格式导入，Meshing软件能修复模型，显示网格质量快速，可对坏网格加密，提高网格质。操作过程中Defaults界面中的Physics preference选择CFD，Solver preference选择Fluent；网格大小（Sizing）界面下Relevance center选择Medium，Smoothing选择Medium，Transition选择Fast，Span，Angle Center选择Fine。最终光滑模型的节点数为104354个，网格数量为432891个。装配成模型的节点数为362019个，网格数量为869805个。通过对比光滑模型的网格数量与装配而成模型的网格数量差别巨大，后者是前者的两倍多，光滑模型仅表现了变螺距螺旋孔道而装配的模型同时表现了装置阶梯型刃口，因此完全反应流域特征的装配模型优于光滑的模型。

图3-2和图3-3均为三维计算网格图在ANSYS中的显示。图3-2为叶片厚度2mm、数量150个的三维计算网格在ANSYS14.5的显示，而图3-3为经扫描切除的三维计算网格图在ANSYS14.5的显示。从网格图对比可以看出，装配型模型能够更好的体现阶梯型刃口，且可以拥有更为精密的网格，能够更为优异的表现流域特征。

网格质量检查是模型在fluent运行中是否仿真模拟顺利和计算结果可靠性的保证。对本次计算模型进行网格质量检查，计算模型的网格扭曲度在0.85以下，所以网格质量良好。

1.3 流体特征

本文以水（基本相）和空气（第二相）对微纳米曝气装置流域进行气液两相数值模拟。压力设置为标准大气压，温度为20℃，气液两相的密度、粘度等均按基本材料库的默认设置。

1.4 边界条件

边界条件是流场变量在计算边界上应满足的数学物理条件。边界条件与初始条件称为定解条件，定解条件设定后，流场的解才存在且唯一。

气体流速：气流流量取1.5m³/h，气体管道截面半径取0.0005m，得出气体流速为5.305m/s；液体流速：液体流量取8.0m³/h，液体管道截面半径按0.025m，得出液体流速为1.132m/s。

气体绝对压强0.12Mpa，液体绝对压强0.112Mpa。

雷诺数计算按如下公式：Re=ρvd/μ＝1×10³×5.305×0.05/1.01×10-3＝2.626×105，雷诺数大于1×104因此判定为湍流。流态为充分发展的湍流。

湍流强度计算公式：I＝0.16（Re）-1/8＝0.03363＝3.363%。

湍流长度计算公式：l＝0.07L，L为特征长度取30cm，故l＝0.07*0.3＝0.021m

湍动能：由湍流强度及平均速度进行估算，k＝3（uI）2/2=1.5×(5.305×3.363%)2＝0.0477437

湍流耗散率由湍流能湍流尺寸估算：ε＝Cμ0.75×k1.5/l＝0.090.75×0.04774371.5/0.0210.08163，Cμ为类型的经验常数，默认值为0.09。

水力半径D＝4×A/L＝0.05，A过水断面面积，L为湿周。

2. 数值模拟求解器

2.1湍流模型

CFD建模过程中，需根据计算问题选择适当的物理模型，包括湍流模型、多相流模型、辐射模型、组分输运和反应模型等。

本文数值模拟的流域为变螺距螺旋孔道，流域内液体发生的旋转运动会使线弯曲度大，对雷诺应力的约束条件要求较高，只有Realizable k-ε模型模拟雷诺应力情况真实可靠，因此，本次数值计算模拟选择Realizable k-ε模型。

2.2 多相流模型的选择

多相流总是由两种连续介质（气体或液体），或一种连续介质和若干种不连续介质（如固体颗粒、水泡、液滴等）组成。连续介质称为连续相；不连续介质称为分散相（或非连续相、颗粒相等）。

FLUENT中描述两相流主要包括欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法两种方法。欧拉法即为两相流模型，拉格朗日法即为离散相模型。欧拉法着眼于空间的点，基本思想是考察空间一个点上的物理量及其变化，将不同的相处理成互相贯穿的连续介质，各相的体积率是时间和空间的连续函数，其体积分率之和为1。

欧拉法中多相流模型包括：VOF（Volume of Fluid）模型，混合（Mixture）模型和欧拉（Eulerian）模型。VOF模型适合于求解分层流和需要追踪自由表面的问题；混合物模型和欧拉模型中则适合计算体积浓度大于10%的流动问题。

本论文实验多数情况下气液两相体积分数比超过10%（例如，气体流量1.5 m³/h，液体流量8 m³/h，气液体积分数为φ＝1.5*100%/（1.5+8）＝15.79%>10%，因此本论文数值模拟过程采用混合物模型进行气液两相流住址模拟。

2.3 求解设置及过程

计算开始前，必须为流场设定初始值。设定初始值的过程被称为“初始化”。初始值经过迭代达到收敛条件的解即计算结束。初始值越接近最后的收敛解，则计算过程越快，迭代步数越少。

当仿真进行时，监测求解过程以确定是否得到了收敛的解，该解是一个迭代收敛解。理论上讲，收敛过程中残差应无限减小至0，但实际计算中，单精度计算和双精度计算的残差最大可分别减小6个和12个量级。

本文FLUENT中的求解器采用需要存储空间较小且模拟计算效率较高的SIMPLEC算法。SIMPLEC算法能加快收敛速度，且可使用圈套的松弛因子。本文设置总步数为600，30步进行一次更新。由收敛曲线示意图可知，计算420步得到收敛解，此时的残差为5个数量级，满足要求。

3. 数值模拟结果及分析

数值模拟后处理是从流场中提取获得流场特性。流动轨迹图能整体上把握对气液两相流在流域内的情况。压力云图和速度云图能够较好的反应气液流体在流域内的流动变化情况，相分布云图能够较好的反应气液两相的混合情况。因此，为能够有效地观察和分析流动计算结果，利用FLUENT自带的后处理功能得到了流动轨迹图、压力云图、速度云图以及相分布云图。

3.1 流场分布

流动轨迹图能整体上把握对气液两相流在流域内的情况。由图3-5可以看出，微纳米曝气装置流域内流体的流线按变螺距螺旋线发生明显的旋转运动，进口端颜色趋于一致变化为后半段的颜色区别圈套的状况，表明流域内液体与气体混合均匀。主要是由于叶片切割以及流域变螺距螺旋结构的作用，使通过流域的气液混合物发生了混合。结合左侧标尺可以看出，气液两相流体在装置内部有秩序的呈现各种颜色，说明气液两相流体在装置内部发生有秩序的变化。所研发装置产生气泡的方式有别于溶气释法、分散空气法，因为后两种方法是经过高能耗情况下将气液两相急剧变化产生气泡，而本文研发装置经过比较有序的变化低耗高效将两相流混合切割产生气泡。在直线长度33cm的流域段内，左侧标出可看出，液相的数值由进口端10的二次方水平变化为出口端10的零次方水平，说明两相流体在装置内部变化急剧，有助于形成湍流与发生扰动，与微纳米气泡的形成原理相一致。FLUENT后处理功能可模拟气液流动情况，经过Pulse功能键，可以清楚地看到，气液两相流体在变螺距螺旋叶片组件的作用下发生了旋转流动，说明叶片对流域内气泡有切割和旋转的作用。

3.2 压力分布

为更准确地分析模型流域内压力分布情况，选取了8个轴向截面。主要是进口端截面即Z＝30mm处、导流锥与叶片结合的截面Z＝0、出口端截面Z＝300mm以及Z＝0mm到Z＝300mm之间均匀截取的一个面（Z＝50mm、Z＝100mm、Z＝150mm、Z＝200mm及Z＝250mm）。四个孔道的压力云图大致相同，但又有所区别，主要是孔道截面虽然对称分布，但由于水中气体浮力和重力的作用，表现出四个孔道的不完全相同状态。

从图3-6b可看出，流域内压力从进口端的黄色为主变为出口端的深蓝色为主，从三个数量级变为负的三个数量级，说明流域内压降明显。结合选取的八个截面压力云图（图3-6c-j）分析。

图3-6c结合标尺a可看出，截面中心压力巨大，到达四个数量级，而周边逐渐减小，颜色上表现为中心为红色，四周逐渐变为黄色。

c到d压力降低明显，结合装置的结构分析，此段是由于导流锥的作用，由于导流锥对流体的阻挡，使得靠近导流锥的流体压力远大于远离导流锥的流体压力，从标尺的颜色上反应为黄色为主变为绿色为主。建模过程中图3-6d设计为导流锥与叶片结合处，由云图可看出气液混合物的压力在黄色部分（完全正放的十字形）最大，由于黄色部分是进口端装配的第一个叶片，由于气液混合流体从进口端进入流道内部，由于对叶片的冲击，导致叶片部位压力剧增，同时由于叶片周边空隙缓冲作用，使得流道部分与叶片部位的交界部位存在较小的压力区域，压力的剧变有助于形成湍流和扰动，有助于将流体内的气泡切割细化。

d到e变化不明显，与装置构造形成吻合，因为装置在进口端约8公分距离上，螺旋度较小，这点与前文中变螺距螺旋方程一致。进入螺旋度较大的区域，也即e到j截面之间，由于叶片刃口对流域内流体的切割作用，叶片组件构成的变螺距螺旋孔道会流域内流体施加阻力，强制流体变化走向，增大流体的湍流程度，同时会对气液两相流中气泡进行切割，有助于气泡的切割细化，产生微纳米气泡。

从e到j压力云图可以看出，叶片边缘的压力明显大于远离叶片边缘的压力，可以得出，由于叶片刃口对流体的阻挡，使得叶片边缘的压力增大。叶片边缘压力的增大，会使流域内部流体对流域边缘的流体产生压力，有助于流域内部气液的混合。

整体上看，图中最下端导流锥部位即气液混合的初始端可以看出开始时气液之间存在的压力差较大，随着导流锥的分流作用气液压力趋于一致，同时由于等径变螺距螺旋孔道的进口端近乎直线，中间段旋转较平缓，出口端旋转较剧烈，所以气液混合流体至中间段时呈现压力分布均匀的状态，至出口端时由于等径变螺距螺旋孔道周边叶片的混合切割作用使得气液混合压力再次呈现不均匀的状态，总体呈现为从中心沿叶片径向到边壁逐渐增大。

从压力云图我们得出气液混合在微纳米曝气增氧发生装置的内部流道中发生了急剧的压力变化，最后出口端有负压（深蓝色部分）的形成，压力变化增大了气液之间的扰动，有助于促进了气液之间的混合，即压力的急剧变化和降至负压有助于微纳米气泡的形成，与邵兴晨的结论一致。

由压力云图可以看出进口端压力分布中间最大沿径向逐渐减小，结合图3-6可知，从进口端到出口端的过程中，微纳米气泡发生装置内部叶片组件的切割混合作用使得气液混合流体压力在装置内部流道中发生了急剧变化，从进口端的中间压力最大变为出口端的四周压力最大，有助于气泡的切割和细化微纳米气泡的形成。

图d到j几个压力云图可明显看出每隔50mm装置内部流域的截图情况，可清晰的观察到从叶片组件的进口至出口的压力变化规律，并且可发现压力的变化均是由圆的内部开始减小的，逐渐引起外部的减小，使得压力从进口端至出口端呈现螺旋式减小的趋势，也证实了我们的猜测，微纳米气泡发生装置内部的叶片组件具有切割和搅拌作用，使得气液混合流体压力降低，最后至出口端形成负压，有利于气泡的切割细化和微纳米气泡的形成。

3.3 速度分布

为更为准确的对模型流域内速度分布情况进行分析，本文对轴线截面的速度分布进行显示，同时选取了8个轴向截面。主要是进口端截面即Z＝-30处、导流锥与叶片结合的截面Z＝0、出口端截面Z＝300以及Z＝0到Z＝300之间均匀截取的五个面（Z＝50、Z＝100、Z＝150、Z＝200、Z＝250）。四个孔道的速度云图大致相同，但又有所区别，主要是孔道截面虽然对称分布，但由于水中气体浮力和重力的作用，表现出四个孔道的不完全相同状态。

结合标尺图3-7a，图3-7a中各种颜色代表云图中的速度大小，从图3-7b整体上可以看出，从进口端到出口端流体速度整体上逐渐增大，与秦梦雪研究结果一致。结合上一小节压力云图的情况可知，由于叶片刃口和变螺距螺旋流域对流体的作用，压力的减小转化为速度的增大，与伯努利议程的理论分析一致。由云图可以看出，由于所设计流道的影响，前边压力变化较慢，云图上显示为云图的颜色变化较慢。而装置流道后半段，由黄色向红色过度较快，也即速度变化较剧烈，装置内部流体湍流，发生了较大的扰动，有助于气泡的形成与切割细化。由于微纳米曝气增氧发生装置内部流道设计大致相同，只是螺旋段曲线发生快慢有所区别，所以，如速度云图所示，二维图像显示为，左右云图对称分布三维即呈环状对称分布。由上一节的压力云图知，压力由进口端至出口端呈现逐渐减小趋势，此节速度呈逐渐增大的趋势，符合流体力学中伯努利方程等理论。因此数值模拟的结果满足流体力学基本理论。

最初的进口图3-7c可以看出速度最小，由于导流锥的分流使得z=-30到z=0段的过水断面减小，使得气液混合流体的速度增大，特别是靠近导流锥部分的流体由于其周边存在空的流体域使得其在水流方向速度急剧增加（如图3-7b最下端斜线部位黄色所示）。

由于图3-7b（z＝0导流锥与叶片结合处），此处深蓝色部分是装配的第一个叶片，由于进口端气液混合流体对叶片的冲击，此处气液混合流体流速突变为0。由云图可以看出，四个流道呈现对称分布的情形，均为叶片周边向流道中间流速组件增大，云图上显示为颜色由深蓝色、黄色、黄褐色过度。云图上从截面中心向周边颜色由黄褐色向黄色、绿色、深蓝色过度，表现为速度情况为速度由中心向四周逐渐减小接近为0，最接近边壁处的流体由于边壁的摩擦作用流速减小接近0，与马晓东的研究结果一致。

图3-7e-j可以看出，由于壁面粘滞阻力和叶片边缘的刃口的作用，每个孔道的流体速度均表现为叶片边缘处的速度较小，而孔道中间区域的速度较大，这一数值模拟的试验结果与湛含辉对螺旋曲线管道内的速度分布的研究一致。

图3-7e-j几个速度云图表现形式大致相同，均为逆时针方向看，速度逐渐减小，这与装置内部流道的螺旋方向是一致的，同时可看到靠近叶片边缘经叶片切割的气液混合流体部分速度较小，而速度矢量方向背向叶片的气液混合流体部分流速较大。同时通过速度云图可观察到气液混合流体在装置内部中间段发生了急剧的变化，而在出口端气液混合流体的流速较区域一致，说明气液混合流体在装置从进口端到中间段的流域内发生了湍流和扰动，有助于形成微纳米气泡，也说明了在这段中叶片对气泡进行了充分的切割，在出口端气液混合流体流速大致相同，说明装置内部的叶片组件对气液混合流体进行了搅拌使之混合。

3.4 相分布

为更为准确的对模型流域内相分布情况进行分析，本文对轴线截面的相分布进行显示，同时选取了8个轴向截面。主要是进口端截面即Z＝-30处、导流锥与叶片结合的截面Z＝0、出口端截面Z＝300以及Z＝0到Z＝300之间均匀截取的五个面（Z＝50、Z＝100、Z＝150、Z＝200、Z＝250）。四个孔道的相云图大致相同，但又有所区别，主要是孔道截面虽然对称分布，但由于水中气体浮力和重力的作用，表现出四个孔道的不完全相同状态。

图3-8为模型流域内的相分布云图。相分布云图可结合图3-8a的标尺分析气液的混合情况。我们主要研究气体（空气）在液体（水）中的分布情况，因此选取phase-2（第二相即空气）的相分布云图进行研究。我们主要观察气相在装置内流域的分布情况对装置内部流场进行分析，进而指导装置改进。

从图3-8b（Y＝0的气相云图）可以看出，从进口端到大概Z＝150的部分气体所占比例较大，然后由于叶片的混合切割作用，大概Z＝150到Z＝300段，气液混合较充分，达到了气液混合的目的。

流域内的气体先经过气液对流传质，气体与液体均匀混合，经过后半段的变螺距螺旋孔道的螺旋作用和叶片刃口切割作用，气泡被切割细化，气体被释放出来。可以明显看出，进气端进气后，气体在管子内部均匀，由于装置是对称设计，红色代表气体含量较大，液体含量较小，明显可以看出装置，气体与液体混合，说明装置传质效率较好。

4. 本章小结

4.1 数值模拟前处理

Meshing软件将模型网格划分，最终光滑节点数和网格数分别为104354个和432891个。装配模型的节点数和网格数分别为362019个和689805个。后者网格数量是前者的两倍多，后者更能表现装置阶梯型刃口，更全面的反应流域特征。

4.2 数值模拟求解器设置

数值模拟边界选择Realizable k-ε湍流模型和混合模型，选择无滑移壁面，FLUENT求解器采用SIMPLEC算法，420步得到收敛解。

4.3 数值模拟结果与分析

仿真模拟的流场迹线图可看出，微纳米曝气装置流域内流体按变螺距螺旋线发生明显的旋转运动，由于叶片切割以及流域变螺距螺旋结构的作用，使通过流域的气液混合物均匀混合。

仿真模拟的压力云图分析知，从进口端到出口端，微纳米气泡发生装置内部叶片组件的切割混合作用使得气液混合流体压力在装置内部流道中发生了急剧变化，有助于气泡的切割和细化微纳米气泡的形成。螺旋度较大的区域，由于叶片刃口对流域内流体的切割作用，叶片组件构成的变螺距螺旋孔道会流域内流体施加阻力，强制流体变化走向，增大流体的湍流程度，同时会对气液两相流中气泡进行切割，有助于气泡的切割细化，产生微纳米气泡。

速度云图可以看出，从进口端到出口端流体速度逐渐增大。由于设计流道螺旋度的变化，流道前半段速度变化较慢，而后半段速度变化比较剧烈，装置内部流体形成湍流，发生了较大的扰动，有助于气泡的形成与切割细化。通过速度云图可观察到气液混合流体在装置内部中间段发生了急剧的变化，而在出口端气液混合流体的流速较趋于一致，说明气液混合流体在装置从进口端到中间段的流域内发生了湍流和扰动，说明此段叶片对气泡进行了充分切割，有助于形成微纳米气泡。

根据相云图可知，流域内的气体先经过气液对流传质，气体与液体均匀混合，经过后半段的变螺距螺旋孔道的螺旋作用和叶片刃口切割作用，气泡被切割细化，气体被释放出来。可明显看出，进气端气体在管子内较为集中，至出口端气液混合较为均匀，装置传质效率较好。

本文摘录自：https://www.doc88.com/p-3718460862482.html?r=1