技术领域
[0001] 本
发明涉及在液体(
水体)中产生微小气泡方法和技术，应用曝气工艺技术等领域，特别是污
水处理领域和化工领域，具体涉及到一种射流微气泡产生方法及射流微气泡曝气器。
背景技术
[0002] 气相和液相的相互
接触是
污水处理过程、浮选以及化学反应过程中的一个十分常见并重要的操作，也是气液两相传质的基本过程。通常情况下，通过将气相以气泡的形式分散到液相中进行。在化学反应过程以及污水处理过程中，气相与液相充分接触程度(接触面积，气泡表面积)往往决定了反应的快慢与优劣。因此如何将将气体(气相)充分地溶解到水(液相)中，以提高溶解或者传质效率就显得尤为重要。
[0003] 以污水处理中曝气过程为例，我们知道，空气(或纯
氧)在水中的
溶解度很小：在常温下(20℃)，净水中的氧气饱和浓度仅为9.08mg/L。因此，如何向水中充氧并提高氧的利用率，是曝气技术中的关键问题之一。从理论上讲，如果曝气器产生的气泡半径从1毫米降至0.1毫米，单个小气泡的体积减小到原气泡体积的千分之一，也就是一个半径1毫米的气泡会产生1000个半径0.1毫米的小气泡。但1000个半径0.1毫米的小气泡其总表面积比单个1毫米的气泡要增加10倍。总的传质表面积增大为原来的10倍。可以大幅提高氧的传输效率，提高反应效率。另一方面，气泡的体积减小，
曲率半径减小，可以增大气液表面张
力、减缓气泡上升速度，有利于气泡的悬浮以及防止气泡之间的聚并。由于气泡上升速度减缓，气泡在水体中的
停留时间增加，延长了气泡向水体传输氧的时间，进而提高氧的利用率。
[0004] 目前主要采用的曝气方法(鼓
风曝气、机械曝气、机械鼓风混合曝气和传统的射流曝气)所产生的气泡较大，而且气泡容易聚并成大气泡，气泡在液体中上升较快，其在液体中的滞留时间较短，不利于氧在水(溶液)中的传质，进而影响整体系统的反应效率。因此，如何能大量产生微气泡是关键问题和技术。
[0005] 在微气泡生成技术方面，目前国内外主要采用加压释放和微孔曝气，具有成本高和能耗大等缺点。对于微孔曝气而言，虽然采用新
型材料相对提高了使用寿命，但仍然存在成本高、易堵塞、维修麻烦和使用寿命偏低的缺点。此外，即使是目前使用较多的微孔曝气方法，其气泡半径大都不小于1毫米，而且曝气量有限，仍然无法满足实际工程技术需要。因此，工程上迫切希望一项新技术能快速大量产生微小气泡。本发明将射流曝气结构简单、成本低、维修方便、曝气量大的优点和微气泡的优势结合起来，通过射流快速稳定的生成大量微气泡，大幅度提高氧气的传输效率和氧利用率。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服传统曝气器气产生的气泡体积较大、混合均匀性差、氧利用率低等不足，提供一种基于射流的微气泡产生方法和利用该方法的射流微气泡曝气器，该基于射流的微气泡曝气器结构简单、成本低、不易堵塞、维修方便；通过该射流微气泡方法可以连续产生大量微小气泡，提高了氧利用率，降低污了水处理的能耗和成本。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 提供一种射流微气泡曝气器，曝气器包括进水管、进气管、吸气室、喉管段、扩压管段；其中，所述进水管连接一
喷嘴，所述喷嘴伸入至吸气室内，所述进气管也连接至吸气室；
[0009] 所述吸气室为封闭腔室，其包括一出口，出口连接至喉管段，所述喉管段连接扩压管段，并最终通向外部曝气设备内。
[0011] 在所述进气管上连接有压力调试器，所述喉管段的内径不大于3倍的喷嘴直径，使所述喷嘴
位置和/或喉管段内的流场
剪切速率大于大气泡
破碎的临界剪切速率。
[0012] 基于上述曝气器，本发明还提供一种基于射流的微气泡产生方法，该方法具体包括以下步骤：
[0013] 步骤1、根据曝气器使用环境下液体和气体的粘性系数，确定液体中气泡的临界毛细管数；
[0014] 步骤2、根据曝气器的使用条件，确定液体的体积流量，并根据混合要求，确定气液体积流量比；
[0015] 步骤3、在曝气器使用时，要求喷嘴位置和/或喉管段内的流场剪切速率大于大气泡破碎的临界剪切速率，由此初步确定射流微气泡曝气器几何外形；
[0016] 步骤4、射流微气泡曝气器数值仿真计算与几何构型优化。
[0017] 进一步的，其中，所述步骤1具体为：
[0018] 根据射流微气泡曝气器的使用环境及工况，确定液体和气体的粘性系数，确定气液粘性系统比p；
[0019] 在初步确定流动过程中气泡的
雷诺数Reb，根据气液粘性系统比p和气泡的雷诺数Reb确定出气泡的临界毛细管数Cacr。
[0020] 进一步的，所述步骤3具体为：
[0021] 根据步骤1中所确定的临界毛细管数Cacr和设定的微气泡直径db，初步计算出该条件下流场所需要的剪切速率γ；再根据 初步计算出射流曝气器的喉管段直径dt，其中，u为
流体速度，r为径向距离， 为
湍流脉动引起的剪切，从而根据射流曝气器的基本性能方程，确定出射流曝气器各部分的几何尺寸。
[0022] 近一步的，所述射流曝气器各部分的几何尺寸具体为：
[0023] 进水管直径 其中Ql为液体流量，ul1为液体设计流速；喷嘴直径其中φ为喷嘴流速系数，Pl为液体流量，ρ为流体
密度；进水管喷嘴
收缩长度Ln＝an(dl-dn)，其中an为喷嘴收缩长度系数；进气管直径 其中q
为气液流量比，ug2为气体设计流速；吸气室直径ds＝adsdl，其中ads为吸气室直径系数；喉嘴距，即喷嘴与喉管的距离Lnt＝antdn，其中ant为喉嘴距长度系数；喉管直径dt＝atdn，其中at为喉管直径系数；喉管长度Lt＝atdn，其中at为喉管长度系数；扩压段出口直径dd＝adddl，其中add为扩压段出口直径系数；扩压段长度Ld＝ad(dd-dt)，其中ad为扩压段长度系数。
[0024] 作为一种优选，所述步骤4具体为：
[0025] 将所述步骤3中确定的曝气器几何尺寸，建立曝气器数值模型并进行数值模拟；将射流流场中的剪切速率与临界毛细管数进行对比分析对，对射流剪切速率不理想的区域的几何尺寸进行改进，将所述喉管段内径调小，从而达到对射流微气泡曝气器的构型进行优化的目的，给出流场剪切速率更好的射流微气泡曝气器几何尺寸。
[0026] 本发明采用以上技术方案与
现有技术相比，具有以下技术效果：
[0027] 本发明的射流微气泡曝气器，通过几何结构构造了一种较大剪切速率γ的剪切流动，从而使气液
混合液中的大气泡通过剪切作用，破碎成大量的
微小气泡，最终形成大量分布均匀的微小气泡，使得在相同曝气量的条件下，增大了气液两相的总体接触面积，延长了气泡在液体中的悬浮时间，提高了溶氧速率和反应效率。因此采用本发明射流微气泡产生方法可以减小气泡直径，增大气液总接触面积，延长气泡悬浮时间，从而改善整个曝气系统的反应效率、降低能耗和运行
费用。
附图说明
[0028] 以下将结合附图对本发明作进一步说明：
[0029] 图1为发明的射流微气泡曝气器结构主视图；
[0030] 图2为发明的射流微气泡曝气器结构俯视图；
[0031] 图3为发明的射流微气泡曝气器中气泡受力示意图；
[0032] 图4为剪切流场作用下，气泡被拉伸、破碎示意图；
[0033] 图5为粘性比与临界毛细管数关系曲线图；
[0034] 图6为雷诺数与临界毛细管数关系曲线图；
[0035] 图7为发明的射流微气泡曝气器产生的微气泡PIV测量结果图；
[0036] 图8为发明的射流微气泡曝气器产生的微气泡直径分布图；
[0037] 图中标记名称：1、进水管，2、压力流量适调器，3、进气管，4、吸气室，5、喉管段，6、扩压管段，；Qg、气体体积流量，Ql、液体体积流量；dl、进水管直径，dn、喷嘴直径，dg、进气管直径，ds吸气室直径，dt、喉管段直径，dd、扩压段出口直径；Ln、进水管喷嘴收缩长度，Lnt、喷嘴与喉管的距离(喉嘴距)，Lt、喉管段长度，Ld、扩压段长度。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0039] 一种射流微气泡产生方法及射流微气泡曝气器，结合
流体力学及气泡破碎理论，着重对射流微气泡曝气器的构型及设计过程进行说明。
[0040] 1)一种基于射流的微气泡产生方法及射流微气泡曝气装置
[0041] 其特征在于：其射流流场的剪切速率大于大尺寸的气泡表面
张力，即气泡的毛细管数大于临界毛细管数。 其中db气泡直径，μc液体的
粘度系数，p混合液体粘度系数比，σ界面张力。
[0042] 其中，射流微气泡曝气装置主要由进水管1、压力流量适调器2、进气管3、吸气室4、喉管段5、扩压管段6组成。液体或者水体通过水泵提供动力，以合适的压力和流量进入射流微气泡曝气器的进水管，并经过收缩，形成高压高速的流场，从喷嘴喷出；由于主流液体的卷吸作用，气体经过压力流量适调器以一定匹配的压力流量从射流微气泡曝气器进气管通道进入；在吸气室内，喷嘴喷出的高压高速液体和从进气管进入的空气进行初步混合，形成气液混合物；气液混合液进入喉管段，由于流体的高速流动，射流场中存在较大的剪切速率γ，在流体剪切作用下，气泡破碎成大量的微小气泡；在扩压段，大量的微气泡进一步混合，最终形成大量混合均匀的微气泡，进入水体或者到
曝气池中，进行生化或化学反应，完成曝气过程。
[0043] 根据上述曝气器，其射流流场，特别是喷嘴位置和喉管段内的流场剪切速率要大于大气泡破碎的临界剪切速率， 其中，微气泡直径为db，u为流体速度，r为径向距离， 为湍流脉动引起的剪切，f(p)为混合液粘度系数比函数。
[0044] 在射流流场中，气泡受到流场的剪切力如图3所示，在流场剪切力的作用下，气泡发生
变形，被沿流向拉伸、扭曲，最终发生破碎，破碎成多个小尺寸的气泡，整个变形和破碎过程如图4所示。
[0045] 根据上文所述的曝气器，本发明还提供射流微气泡产生方法，该方法以下几个步骤：
[0046] 步骤1、确定液体中气泡的临界毛细管数。
[0047] 根据射流微气泡曝气器的使用环境及工况，确定液体和气体的粘性系数，确定气液粘性系数比p(p＝μc/μg)，并初步确定流动过程中气泡的雷诺数Reb， 参考图5、图6的实验数据，根据气液粘性系数比p和气泡的雷诺数Reb确定出气泡的临界毛细管数Cacr。
[0048] 步骤2、确定液体流量以及气、液体积流量比；
[0049] 根据曝气器的使用条件，确定液体的体积流量，并根据混合要求，确定气液体积流量比。
[0050] 步骤3、初步确定射流微气泡曝气器几何外形。
[0051] 根据步骤1中所确定的临界毛细管数Cacr，和要求产生的微气泡直径db，初步计算出该条件下流场所需要的剪切速率γ，根据 初步计算出射流曝气器的喉管段直径r，从而根据射流曝气器的基本性能方程，确定出射流曝气器各部分的几何尺寸。
[0052] 步骤4、射流微气泡曝气器数值仿真计算与几何构型优化。
[0053] 根据步骤3所射流曝气器尺寸参数，建立射流曝气器数值计算模型，并对其进行数值模拟。分析射流流场中的剪切速率(包括平均流场引起的剪切du/dr和湍流脉动引起的剪切 )，并与临界毛细管数进行对比分析，判断其是否满足微气泡产生的条件。针对射流剪切速率不理想的区域的几何尺寸进行改进，将所述喉管段内径调小，从而达到对射流微气泡曝气器的构型进行优化的目的，在此
基础上给出流场剪切速率更好的射流微气泡曝气器几何尺寸，并建立实验模型，采用实验手段对其进行验证。
[0055] 1、使用环境与参数
[0056] 本应用实例为污水处理用射流微气泡曝气器，其中污水的体积流量为：13m3/h，根据污水处理相关要求，其气液体积流量比为0.1。
[0057] 2、方案介绍
[0058] 结合图5和图6，按现有技术设计的射流微气泡曝气装置，其与本发明密切相关的设计参数为：进水管直径 其中Ql为液体流量，ul1为液体设计流速；喷嘴直径 其中φ为喷嘴流速系数，Pl为液体流量，ρ为流体密度；进水管喷
嘴收缩长度Ln＝an(dl-dn)，其中an为喷嘴收缩长度系数；进气管直径 其中
q为气液流量比，ug2为气体设计流速；吸气室直径ds＝adsdl，其中ads为吸气室直径系数，这里取1.344～3.633；喉嘴距(喷嘴与喉管的距离)Lnt＝antdn，其中ant为喉嘴距长度系数，这里取1.061～2.550；喉管直径dt＝atdn，其中at为喉管直径系数，这里取2.121～2.549；喉管长度Lt＝atdn，其中at为喉管长度系数，这里取5～20；扩压段出口直径dd＝adddl，其中add为扩压段出口直径系数，这里取1.148～4.144；扩压段长度Ld＝ad(dd-dt)，其中ad为扩压段长度系数，这里取5～15。
[0059] 作为一种的实施方案，这里我们给定一个射流微气泡曝气器构型，其基本结构无量纲参数如下，
[0060] dl/dn＝3，dg/dn＝3，ds/dn＝7.8，dt/dn＝2.5，dd/dn＝4.3，Ln/dn＝3.7，Lnt/dn＝1.7，Lt/dn＝10.8，Ld/dn＝20.0。
[0061] 3、实际实验结果
[0062] 采用上述几何尺寸的射流微气泡曝气器进行实验研究，并通过PIV测量系统对产生的微气泡尺寸进行测量，结果参考图7、图8所示。实际实验结果表明，经过本发明的射流微气泡产生方法和射流微气泡曝气器处理后的气液混合液中，气泡直径较小并且分布的比较均匀，其产生的气泡直径均小于1mm，并且60.8％的气泡直径在600um以下。
[0063] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
