[发明专利]一种等温层曝气器曝气室表观水流速度的预测方法

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％)。

主权项

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；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PI用公式(4)计算如下：PI＝PIr‑PId＝{ρl‑(ρlεlr+ρgεgr)}gHr‑{ρl‑(ρlεld+ρgεgd)}gHd  (4)式中：PIr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；ρl为水的密度，kg/m3；εlr为曝气室水的体积分率；εld为下降筒水的体积分率；ρg为气体的密度，kg/m3；εgr为曝气室气体的体积分率；εgd为下降筒气体的体积分率；g为重力加速度，m/s2；Hr为曝气室内水深，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KT的无量纲表达式，并用公式(15)表示；PT=12ρlKTVlr2---(13)]]>式中：KT为曝气室顶部能量损失系数；Vlr为曝气室内水流速度，m/s；KT=1.55×109(1-ArAd)2Rer-1.4---(15)]]>式中：Ar为曝气室横截面积，m2；Ar=π4(Dr2-D02)---(11)]]>式中：Ad为下降筒横截面积，m2；Ad=π4(Dd2-Dr2)---(16)]]>式中：Rer为曝气室雷诺数；Rer=Ulr(Dr-D0)(1-ϵgr)υl---(9)]]>式中：υl为水的粘度，N.s/m2；Ugr=QgrAr---(10)]]>式中：Qgr为曝气室曝气量，m3/s；1‑3)曝气室内涡流产生的能量损失PW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KW的无量纲表达式，并用公式(17)表示；PW=12ρlKWVlr2---(14)]]>KW=0.135HrDr-D0ϵgr(1-ϵgr)3/Fr3---(17)]]>式中：KW为曝气室涡流能量损失系数；Dr为曝气室相对轴心的直径，m；D0为中心管直径，m；Fr为弗劳德数；Fr=Ulrg(Dr-D0)---(18)]]>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PFr和PFd分别采用公式(7)和(12)计算：PFr=2CFrρlUlr(Ulr+Ugr)HrDr-D0---(7)]]>式中：CFr为曝气室边壁摩擦阻力系数；Ulr为曝气室内表观水流速度，m/s；Ugr为曝气室内表观气速，m/s；PFd=2CFdρlUld2HrDd-Dr---(12)]]>式中：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；1.5)曝气室进出口产生的能量损失PE用公式(19)计算：PE=12ρlKEnVlr2+12ρlKExUEx2---(19)]]>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；UEX=ArUlrAEx---(20)]]>式中：AEx为下降筒底部出口处横截面积，m2；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，如下式所示：PI＝PT+PE+PW+PF  (1)式中：PI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；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，其中，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：ϵgr=UgrUlr(1-ϵx)-1+Vb---(21)]]>气液相对滑移速度Vb与气泡直径rb的关系如下：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。