автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Характеристики затопленных аэрированных струй в инженерно-экологических системах

московский

1 ОСУ ДАРСТВЕННЫЙ СТРОИ1Ю1ЬНЫИ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД На правах рукописи

2 7 !Ш 1994

Рышлавы Властислав

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАТОПЛЕННЫХ АЭРИРОВАННЫХ

СТРУЙ

В ИНЖЕНЕРНО - ЭКОЛОГИЧЕС КИХ СИСТЕМАХ

05.23.16 - шдравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертация па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1994

Работа выполнена на кафедре использования водной энергии Московского государственного строительного университета.

Научный руководителе :

кандидат технических наук, доцент В. В. Волшаник

Официальные оппонент :

доктор технических наук, профессор В. С. Боровков

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В. Б. Родионов

Ведущая организация :

Комитет Российской Федерации по водному хозяйству (Роскомвод)

Защита диссертации состоится 29 июня 1994 г. в 15.30 час. на заседании диссертационного совета Д 053.11.04 в Московском государственном строительном университете по адресу : Москва, ул. Спартаковская, д. 2, ауд. 212

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим принят участие в заседании совета и направите отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатаю, по адресу : 129 337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, Учении совет.

Автореферат разослан 14 июня 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Н. Н. Аршеневскнй

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Ухудшающееся состояние водных объектов, связанное с интенсификацией их использования в качестве источников водообеспечения, зон рекреации, а часто и как места сбора неочищенных сточных вод, требует безотлагательной разработки научно-обоснованных мероприятий по их очистке и поддержанию в приемлемом санитарном состоянии.

Неудовлетворительное санитарное состояние водных объектов в значительной степени связано с низким содержанием в воде растворенного кислорода. Естественной самоочищающей способности водотока или водоема при их сильном загрязнении оказывается недостаточно для поддержания высокого качества воды, и в этом случае необходима искусственная аэрация на стационарных гидротехнических сооружениях или с помощью плавающих аэрирующих установок. Наличие больших объемов воды, требующей аэрации, предусматривает использование дешевых, эффективных, малоэнергоемких и надежных систем. Одной из них является система аэрации с помощью аэрированных струй, сформированных в аэраторах эжекторного или вихревого типа. Струйная аэрация широко применяется также в биологических очистительных сооружениях, технологических аппаратах химической и микробиологической промышленности и других отраслях.

Для оптимизации систем струйной аэрации необходимо решение задачи о взаимодействии аэрированной струи с прорабатываемым массивом жидкости. Гидравлический и гидромеханический расчеты, детально разработанные для сплошных турбулентных затопленных струй, для двухфазных воздухонасыщенных струй оказываются непригодными, поскольку в аэрированных струях дополнительно действуют силы, отсутствующие в сплошных струях.

Целенаправленных исследований распространения вертикальных и наклонных затопленных аэрированных струй пока не проводилось, и это обусловливает целесообразность выполненной нами работы.

Распространение в массиве воды аэрированной струи представляет собой сложное явление, поэтому основным методом ее изучения принят метод физического эксперимента. Вместе с тем, в работе показаны достоинства и возможности метода математического моделирования, позволившего получить результаты для практического использования.

Цель работы и задачи исследований.

ГТлгтмо насгоятпей пябптм являлось попученил и янялич

экспериментальных и теоретических характеристик распространения массиве воды вертикальных и наклонных затопленных аэрировании струй, которые необходимы при проектировании инженерш экологических систем аэрации водных объектов.

Для достижения этой цели было необходимо решить следующи задачи:

- проанализировать современные знания о распространены сплошных и аэрированных затопленных струй и разработал программу исследований;

- создать материальную базу экспериментальных исследован^ разработать методику проведения опытов и обработки опытны данных;

- получить и проанализировать экспериментальные данные распространении вертикальных и наклонных аэрированных струй прорабатываемом массиве воды;

разработать математическую модель распространена затопленных аэрированных струй в массиве жидкости; разработат программу расчетов на ЭВМ; проанализировать результаты расчетов сравнить их с опытными данными;

- разработать рекомендации по применению контрвихревы аэраторов и расчету затопленных аэрированных струй пр проектировании инженерно-экологических систем аэрации водны объектов.

Научная новизна работы.

К числу новых результатов, изложенных в диссертации, следуе отнести:

- заключение о влиянии условий выпуска аэрированной струи и контрвихревого аэратора на его гидравлические характеристики ] характеристики самой струи, а также о влиянии типа контрвихревог аэратора на характеристики формируемой им аэрированной струи;

научно-обоснованную информацию о распространена различных затопленных аэрированных струй в прорабатываемо! массиве воды;

- разработку и обоснование методики расчетов парамсггро затопленных аэрированных струй.

Практическое значение_определяется возможность*

использования рекомендаций работы при проектировании струйно вихревых систем аэрации.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались н мйтклунятюттном симпозиуме по янемпметпии НИИ А ( Ппягя. Гплйны

Чешская Республика, 1992), на научной конференции с межународньп участием по водному хозяйству и гидротехническому строительству (Брно, Чешская Республика, 1992) и одобрены на заседании кафедрь ИВЭ МГСУ (1993).

Реализация работы.

Результаты исследований использованы при проектировали! систем струйно-вихревой аэрации для ряда промышленных и природо охранных объектов в Российской Федерации и при разработк» "Руководства по проектированию и конструкторской документацт вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин" Комитета пс водным ресурсам Минэкологии РФ, 1 992 г.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти гнав, общих выводов ъ рекомендаций и списка литературы из 64 наименований. Работ; изложена на 172 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, и содержит 61 рисунок и 6 фотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации сформулированы ее основная цель и задачи, изложена научная новизна и практическая ценность работы, дана информация с реализации результатов и объеме работы.

В первой главе диссертации перечислены способы искусственной аэрации водных объектов и показана эффективность струйной механической аэрации. Дан краткий анализ достоинств контрвихревш аэраторов, применяемых для формирования аэрированных струй на разнообразных водных объектах и технологических установках. Приведены сведения о гидравлических характеристиках

распространения сплошных затопленных струй; выполнен обзор и анализ небольших по своему количеству теоретических и экспериментальных исследований затопленных аэрированных струй, На основании обзора сделан вывод о необходимости целенаправленного изучения распространения вертикальных и наклонных аэрированных затопленных струй и поставлены задачи разработки математической модели и экспериментальных модельных исследований. •

Во второй главе даны описание экспериментальной установки, методики проведения исследований, обработки экспериментальных ттянных, оттенка, точности ичмепеттй и гигтпятшиче.стспго молелипования.

Экспериментальные исследования проводились на модельных установках в лаборатории гидротехнических сооружений строительного факультета Высшей технической школы в городе Брно ( Чешская Республика ) . Схемы моделей аэраторов и экспериментального стенда представлены на рис. 1.

При проектировании экспериментальной установки имелось в виду, что она должна предоставить возможность проводить испытания контрвихревых аэраторов при разных углах наклона аэрированной струи к горизонтальной поверхности прорабатываемого массива вода и разных высотных положениях сопла аэратора по отношению к поверхности воды.

Экспериментальная установка состоит из: центробежного насоса 50-НДВ-200-17 (1), задвижки (2), вертикального участка (3) напорной магистрали воды диаметром 70 мм с цилиндрическим коленом с углом поворота 90°, горизонтального подводящего участка (4) магистрали воды диаметром 70 мм, диафрагмы (5) для измерения расхода воды с диаметром в сжатом сечении 60 мм, наклонного (6) подводящего участка магистрали воды диаметров 70 мм, гибкого подводящего участка (7) магистрали воды, узла контрвихревого аэратора (8), камеры смешивания (9), лопса (10) длиной 6 м, шириной 1 м, высотой 1 м, со сбросом воды в подземный резервуар (11).

Для формирования аэрированной струи в широком диапазоне значений ее плотности (воздухонасыщения) и скорости на выходе из камеры смешивания применялись контрвихревые аэраторы, основанные на одном принципе действия, но разного конструктивного исполнения - с тангенциальными и с лопаточными завихрителями.

Принцип работы контрвихреаого аэратора основан на двух дополняющих друг друга гидравлических явлениях: эжектировании воздуха в центральную зону закрученного потока (где в результате действия центробежных сил создается разрежение) и дробления поступающего в камеру смешивания воздуха за счет взаимодействия соосных противоположно-закрученных потоков воды. Роль закручивающих устройств в испытанных конструкциях контрвихревых аэраторов выполняют: две спиральные камеры у аэратора с тангенциальным подводом, или два завихрителя с лопастными пешетпсями V лппяглгного я/тятопя Спипялн и петиетки гЬопмипутот

внутренний макровихрь и внешний, где поток вращается е противоположном направлении. Наличие разделительного цилиндра между макровихрями на начальном участке перед камерой смешивания позволяет им в пределах спиральных камер существовать автономно.

За счет действия центробежных сил статическое давление в поперечных сечениях завихрителей становится резко неравномерным: давление увеличивается у стенок и уменьшается в центре потока. Через центральную полость разделительного цилиндра в центральную зону внешнего паровоздушного ядра поступает поток воды, закрученный внутренней спиралью и имеющий центральное воздушное ядро. Аэрация жидкости осуществляется воздухом, идущим самотеком центральным воздуховодом в ядро внутреннего вихря. Количество засасываемого воздуха определяется значением вакуума в ядре и сопротивлением подводящего участка воздуховода.

В камере смешивания происходит распад макровихрей и образование вихрей малого масштаба. В процессе распада значительную роль начинают играть силы трения, приводящие к рассеиванию энергии, усиливается турбулизация потока. Эти факторы благоприятно сказываются на интенсивности дробления пузырьков воздуха, на степени перемешивания газожидкостной среды и растворения кислорода из эжектируемого потока воздуха в воде.Аэрированная струя, обладающая некоторым запасом кинетической энергии, движется вдоль камеры смешивания под действием этого запаса энергии и сил тяжести и падает в массив жидкости, перенося воздушные пузырьки на некоторую глубину, именуемую глубиной проработки массива. "Проработка" массива жидкости сильно аэрированной струей связана с возникновением очень интенсивных динамических явлений, и поэтому глубина проработки является величиной, весьма нестационарной во времени.

На исследованных моделях контрвихревых аэраторов числа Реймольдса, подсчитанные по средним осевым скоростям в камере смешивания, составляли: (1,54 - 2,91)-10 для модели с тангенциальным подводом воды и (2,3 - 3,6) »10 для модели лопастного контрвихревого аэратора, что позволяет заключить, что течение находится в зоне автомодельносги. В настоящих исследованиях в качестве критерия подобия использовался коэффициент расхода ц, который является, по существу, производным от критерия Эйлера (Ей) и в подобных системах сохраняет свое значение неизменным;

В таком случае условия подобия можно записать в виде:

(д. = ¡<1ет

Зависимость (1) показывает, что в зоне автомодельности величина

О)

у. не зависит от ReM, следовательно, не зависит от напора Н.

В третьей главе приводятся результаты исследований основных гидравлических параметров вертикальной нисходящей аэрированной струи.

Гидравлические параметры струи, создаваемой контрвихревыми аэраторами, ранее подробно не изучались, поэтому задачи, методы и программы исследований были направлены на получение наиболее общих исходных данных и рекомендаций для проектирования аэрационных систем с контрвихревыми аэраторами.

Процесс насыщения воды растворенным кислородом и так называемой "проработки" (перемешивания) массива воды в водном объекте аэрированной струей связан с массообменом двух разноплотносгных сред - водовоздушной струи меньшей плотности с массивом воды большей плотности.

В силу высокой интенсивности их взаимодействия имеет место беспорядочное движение вихревых масс, некоторые из которых выбрасываются за пределы струи. На их место проникает частицы жидкости из толщи воды, подтормаживающие движение струи, в результате чего ее масса увеличивается. Струя расширяется и скорость у ее границ убывает, а запас энергии уменьшается.

Эффективность процесса массообмена зависит от кинетической энергии струи, затрачиваемой на турбулентное перемешивание, и архимедовых сил, появляющихся в разноплотносгных потоках и способствующих перемещению более плотных частиц вниз, а менее плотных вверх.

Особенностью распространения затопленной вертикальной аэрированной струи в массиве воды является то, что линии, по которым действуют основные силы, совпадают. Силы инерции, обусловленные наличием у струи начальной скорости, направлены вертикально вниз, а архимедовы силы, действующие на воздушные пузырьки, вертикально вверх. Затухание средней скорости струи при ее проникновении вглубь массива обусловливает ограничение максимальной глубины погружения воздушных пузырьков, скорость всплытия которых составляет примерно 0,2 м/с. С этой максимальной глубиной погружения воздушных пузырьков связана применявшаяся в настоящей работе одна из основных характеристик вертикальной аэрированной струи - так называемая глубина ее погружения. Эта глубина фиксировалась визуально.

Исследование распространения вертикальной аэрированной струи было разделено на два этапа:

- на первом этапе исследовались основные гидравлические параметры струи, выпускаемой подуровень массива воды;

- на втором этапе исследовались основные гидравлически* параметры струи, выпускаемой над уровнем массива воды. Высота (глубина) расположения среза сопла аэратора по отношению I поверхности прорабатываемого массива воды является наиболе< просто регулируемым фактором при проектировании и эксплуатации аэрационных систем. В то же время, как показали результата» предыдущих исследований лаборатории закрученных потоков МГСУ выполненных на модельных установках и натурных объектах, высотно< положение сопла аэратора оказывает существенное влияние и нг характеристики контрвихревых аэраторов, и на параметры затопленной аэрированной струи. Поэтому на этапе изучения вертикальной струи, имеющей меньше характерных параметров, чем наклонная струя, было принято решение подробно исследовать влияние расположения сопла аэратора по отношению к поверхности прорабатываемого массива воды.

Основными задачами данного этапа исследований . было определение зависимости плотности аэрированной струи (эжектирующей способности контрвихревого аэратора) и глубины распространения струи в зависимости от погружения сопла аэратора под уровень массива воды.

Испытывались модели контрвихревых аэраторов с тангенциальными и лопаточными завихрителями при погружении сопла аэратора на 0,2 и 0,1 м под уровень и расположения сопла на самом уровне массива воды.

Контрвихревые аэраторы с тангенциальными и лопаточными завихрителями в силу особенностей своей конструкции формируют отличающиеся друг от друга аэрированные струи: тангенциальный аппарат - сильно аэрированную струю с незначительной энергией жидкой фазы на выходе из камеры смешивания (в сечении сопла), лопаточный - слабо аэрированную струю с большой энергией. Имея в виду цель настоящей работы, упоминание в ней о том или ином типе примененного контрвихревого аэратора следует воспринимать не как подчеркивание различий в их конструкции, а как о способе формирования аэрированных струй с запланированными различиями в их физических характеристиках - средней плотности водовоздушного потока и ее энергии в сечении сопла (числе Фруда).

Под средней (условной) плотностью водовоздушной смеси в сечении аэрированной струи понимается плотность, определяемая по выражению

Рсм=<Рв^в+Р возд * «ЗваэдМЙв + двозд>'

где индексы обозначают соответственно: см - водовоздушная смесь, в -

вода, возд - воздух. В качестве коэффициента эжекции аэратора, подсасывающего воздух из атмосферы в свою проточную полость, рассматривалось отношение объемных расходов воздуха и воды:

^эж ~ ^возд/^в ,

(3)

Плотность водовоздушной смеси связана с коэффициентом эжекции следующей зависимостью (в пренебрежении плотностью воздуха)

Рш= Рв^+^ж)'

(4)

Низким значениям средней плотности аэрированной струи соответствуют высокие скорости жидкой фазы, поскольку значительная часть живого сечения оказывается занятой воздушными пузырьками, а расход воды в опытах всегда оставался неизменным. Так как числа Фруда в сечении сопла подсчитывались по скорости жидкой фазы

Рг = У2в/(8*О0), ^

то значения этого числа оказывались большими для менее плотных потоков.

Таким образом, при большом заглублении сопла под уровень мы имеем слабоаэрированную струю с плотностью, незначительно отличающейся от плотности воды, и с относительно небольшими скоростями жидкой фазы. Эти особенности весьма важны при анализе глубины погружения аэрированной струи.

В общем случае абсолютная глубина распространения сплошной (неаэрированной) затопленной струи определяется площадью ее сечения на начальном участке (диаметром) и скоростью: течения, а относительная глубина - только скоростью течения. На глубину распространения аэрированной струи влияет еще один фактор -степень ее аэрации (средняя плотность). Поскольку в контрвихревых аэраторах плотность струи тесно связана с процессами, происходящими внутри аэратора, а последнее, как было показано выше, зависит от глубины погружени сопла, мы сталкиваемся с необходимостью изучения связи между глубиной распространения струи и глубиной погружения сопла аэратора, что совершенно не имело бы смысла для сплошной струи или аэрированной струи, формируемой каким-либо другим образом.

Картины распространения вертикальной аэрированной струи при

погружении под уровень сопла аэратора приведены на рис. 2 и 3.

При расположении сопла контрвихревого аэратора над уровнем воды условия течения в нем несколько меняются, и появляются дополнительные силы, определяющие распространение аэрированной струи.

При поднятии сопла аэратора над поверхностью воды на небольшое расстояние в струе еще продолжает существовать давление ниже атмосферного, а разрежение в камере смешивания аэратора даже немного увеличивается за счет ускорения струи при ее свободном падении; действие этого фактора приводит даже к небольшому увеличению разрежения в центральной зоне внутреннего закрученного потока и росту коэффициента эжекции воздуха.

При дальнейшем поднятии сопла аэратора атмосферное давление в полной мере проникает в камеру смешивания , приводит к снижению там разрежения и соответствующему уменьшению коэффициента эжекции.

Аэрированная струя, выйдя из поднятого над поверхностью сопла аэратора, часть своего пути проходит в атмосфере, после чего проникает через поверхность раздела сред в массив воды, эжектируя в этот момент дополнительно некоторое количество воздуха. На участке свободного падения за счет действия сил тяжести струя ускоряется, что благоприятно с точки зрения увеличения глубины ее распространения. С другой стороны, на этом же участке происходит распыление поверхности струи за счет трения о воздух, особенно сильно происходит это

распыление в случае аэрированной струи. Имеется некоторая оптимальная высота расположения сопла, при которой значения таких важных

характеристик струи, как воздухосодержание и эжекция на выходе, наиболее благоприятны для процесса аэрации и проработки массива воды. Для моделей аэраторов, примененных в исследованиях, эта оптимальная высота оказалась равной (0.8 - 1.6) Во, рис. 4.

С увеличением высоты свободного падения аэрированной струи скорость ее растет, это увеличение скорости происходит и в сечении сопла. Как только скорость здесь превысит некоторое значение, произойдет отрыв потока от стенок камеры смешивания, и откроется путь атмосферному давлению. Чем больше скорость, тем больше отрыв потока, и тем глубже он проникает в камеру смешивания, в зону разрежения, куда подсасывается воздух. Снижение разрежения приводит к уменьшению перепада давления, под действием которого воздух движется из атмосферы в камеру смешивания; уменьшается расход воздуха и коэффициент эжекции. Возникновению отрыва потока способствует и неравномерность распределения скоростей в сечениях

камеры смешивания, обуславливаемая как особенностями взаимодействия закрученных потоков, так и, возможно, некоторыми конструктивными недостатками модели контрвихревого аэратора.

Для лопаточного аэратора картина зависимости коэффициента эжекции воздуха, плотности струи и числа Фруда для начального участка струи от высоты расположения сопла остается качественно такой же, что и для тангенциального аэратора. Значение оптимальной высоты расположения сопла не зависит от плотности струи и оказывается одинаковыми для обеих вариантов контрвихревых аэраторов. Однако, в силу более высокой эжектирующей способности тангенциальных аэраторов, связанной с более глубоким разрежением в центре внутреннего закрученного потока, влияние извне на это разрежение приводит к более заметному изменению коэффициента эжекции, чем в лопаточном аэраторе. Так, изменение Ь с 5 см до 50 см приводит к снижению коэффициента эжекции: в тангенциальном аэраторе с 2,33 до 1,69, то есть на 0,64, а в лопаточном - с 0.7! до 0,49, то есть на 0,22.

В отличие от аэрированной струи, вытекающей из заглубленного сопла, струя, падающая в массив из поднятого над поверхностью сопла, теряет много энергии при этом, которая расходуется на возмущение поверхностных слоев воды и эжектирование дополнительного количества воздуха, не говоря уже о трении о воздух и распыление поверхности. Поэтому изменения в струе, происходящие при изменении ее высотного положения, как бы сглаживаются по сравнению с глубинной струей. Однако, поскольку в итоге глубина распространения струи определяется ее плотностью и числом Фруда, которые определенным образом меняются при изменении высоты расположения сопла, то и глубина распространения струи таким же образом зависит от положения сопла.

В четвертой главе приводятся характеристики наклонной аэрированной струи.При наклоне оси камеры смешивания ко всем ранее, действовавшим факторам, влияющим на распространение аэрированной струи и проанализированным в предыдущей главе, добавляется еще один - наклонное положение начального участка струи. Большое число действующих факторов заставляет анализировать их влияние последовательно. В качестве основных выбраны факторы, устанавливаемые в процессе проектирования системы аэрации, -высотное положение сопла по отношению к поверхности прорабатываемого массива воды и угол наклона струи по отношению к этой поверхности. В ходе опытов измерялись и подсчитывались следующие величины: коэффициент эжекции аэратора Кэж и плотность аэрированной струи рсм; глубина проработки массива ; диаметр Б

круга, внутри которого на поверхности воды наблюдается всплытие пузырьков воздуха; расстояние Ь от центра этого круга до точки входа струи (сопла) в прорабатываемый массив. Кроме измерений, для разных вариантов положения аэратора проводилось

фотографирование распространения аэрированной струи.

Как и при вертикальном расположении камеры смешивания аэратора, определяющее влияние на параметры аэрированной струи и на особенности ее распространения в массиве воды оказывает высотное положение сопла по отношению к поверхности воды. Физические процессы, происходящие при наклонном положении камеры смешивания, такие же, как и при вертикальном положении; они были описаны выше. Интересно, что и большинство количественных результатов мало изменились с изменением наклона камеры смешивания.

В частности, это относится к зависимости коэффициента эжекции аэратора (плотности формируемой аэрированной струи) от высотного положения сопла. На рис. 5 приведены зависимости Кэж = ¡"(ЬЛЭо) для обоих типов аэраторов и разных углов наклона камеры смешивания. Из этого рисунка видно, что независимо от этих двух факторов, имеется четко выраженное оптимальное значение высоты расположения сопла над поверхностью воды, при котором коэффициент эжекции имеет максимальное значение, а средняя плотность струи, соответственно, минимальна. В абсолютных размерах это значение высоты расположения сопла составляет Ь = 0,05 - 0,06 м, в относительных для тангенциального аэратора - ЬД)0 = 1,07, для лопаточного - ЬЮ0 = 1,56. Эти оптимальные значения одинаковы для всех наклонов камеры смешивания, это означает, что изменение, в исследованных пределах, скорости движения аэрированной струи, ее средней плотности и направления движения в границах проточной часта камеры смешивания оказывают на струю гораздо меньшее воздействие, чем изменения высотного положения сопла аэратора.

В отношении энергии струи также существует четко выраженное оптимальное

положение сопла аэратора, по значению совпадающее с приведенным выше. Как и в отношении коэффициента эжекции, это оптимальное положение не зависит ни от типа аэратора, ни от наклона камеры смешивани .

Угол растекания наклонной аэрированной струи находится в той же зависимости от высотного положения сопла, что и вертикальной струи. Однако длина наклонной струи, при прочих равных условиях, больше длины вертикальной (нисходящей) струи в силу следующей причины. На всем протяжении движения вертикальной аэрированной струи, пока в ней присутствуют пузырьки воздуха, они уменьшают

скорость движения жидкой фазы, поскольку архимедова сила действует по той же линии, что и инерция жидких частиц, но направлена против силы

инерции. В наклонной аэрированной струе направления действия этих сил не совпадают, поэтому и замедление жидкой фазы будет меньше, а общая длина распространения струи (длина средней линии визуализированной пузырьками части струи) будет больше.

В силу этого я площадь сечения наклонной струи на некотором ее концевом участке, где ее покидают последние пузырьки воздуха, оказывается больше, чем на аналогичном участке вертикальной струи. Зависимость этой площади от высотного положения сопла приведена на рис. 6 в виде кривых ОЛ)о=Г(ЬЛЭо) для тангенциального и лопаточного аэраторов. Поскольку длина распространения струи зависит от ее энергии на выходе из сопла, а растекание струи зависит от степени ее аэрированности (плотности), а оба эти фактора, как было показано выше, существенно зависят от высотного положения сопла, то и значения Б зависят таким же образом от Ь. При этом оптимальные значения Ь в отношении О оказываются такими же, как и в отношении других факторов.

При проектировании систем аэрации конечной целью, как правило, является равномерное насыщение растворенным кислородом какого-либо объема воды (или сточных вод), имеющего конкретные значения длины, ширины и высоты массива воды. Для достижения этой цели необходимо решить две основные задачи - доставить в массив воды такое количество воздуха, из которого в воде растворится потребное количество кислорода, и перемешать воду для достижения равномерного распределения растворенного кислорода в каждой точке прорабатываемого массива.

Обе эти задачи решаются аэрированной струей. Количество доставляемого воздуха определяется расходом жидкой фазы и средней плотностью струи, а ее способность перемешать массив воды конечных размеров - в основном энергией на выходе из сопла аэратора и наклоном струи по отношению к поверхности прорабатываемого массива. Результаты исследований показали, что последний фактор оказывает заметное влияние на "перемешивающие способности" аэрированной струи, однако и здесь важнейшую роль играет высотное положение сопла аэратора.

Как отмечалось выше, в диссертационной работе изучалось распространение той части аэрированной струи, которая содержит пузырьки воздуха; размеры этой визуализированной части измерялись в ходе опытов. "Перемешивающая способность" струи тесно связана с размерами ее визуализированной части, но объем вовлекаемых в движение масс воды существенно превышает объем визуализированной части стпуи. Пппетгкпение полного значения' "объема пепемепшпания "

является важной и достаточно сложной задачей, которая должна Ьыть решена в ходе предстоящих исследований. С этой целью, имея в виду получение качественных результатов в отношении "объема перемешивания", но количественных - в отношении параметров струи, мы воспользовались некоторым условным объемом, равным Ь^- Ь' И. Все измерения этого объема проводились в процессе опытов, а его пропорциональность полному "объему перемешивали " не вызывает сомнений. Такой подход позволил нам, не проводя специальных исследований, сделать определенные выводы в отношении влияния параметров струи на ее перемешивающую способность и определить оптимальные значения этих параметров.

Результаты приведены на рис. 7 в виде кривых Ь^Ь-Б = ПЪШо). Как видно, и здесь, в отношении объема прорабатываемого массива, как и в отношении других рассмотренных выше параметров, прослеживается сильное влияние высотного положения сопла. Наибольший объем проработки имеет место при расположении сопла на (0.8 - 1.5)Оо выше поверхности воды. При заглублении сопла под уровень происходит резкое сокращение объема. Форма кривых Ь^Ы^ДЬ/Оо) ,

практически одинакова при всех углах наклона струи и значениях ее энергии.

Увеличение степени аэрации струи позволяет добиться относительно более интенсивного роста объема перемешивания, чем увеличение энергии струи за счет увеличения расхода жидкой фазы. Об этом свидетельствуют кривые Ь^Ь'Б=Г(Рг ), (рис. 8), построенные для тангенциального (сильно аэрированная струя с малым расходом воды) и лопаточного (слабо аэрированная струя с большим расходом воды) аппаратов при одном и том же наклоне струи. Видно, что одинаковый объем перемешивания достигается с помощью тангенциального аэратора при гораздо меньших значениях числа Фруда, чем с помощью лопаточного (для режимов с одинаковым коэффициентом эжекции числа Фруда для лопаточного аэратора в 7 раз превышали соответствующие значения для тангенциального аэратора). Аэрированные струи, формируемые тангенциальным и лопаточными аппаратами, могут применяться для решения разных задач аэрации: первые - для интенсивного насыщения растворенным кислородом относительно небольших масс воды; вторые - в основном для глубокой проработки и перемешивания значительных по объему массивов воды.

С уменьшением угла наклона струи уменьшается и влияние на ее движение воздушных пузырьков, поэтому длина струи и диаметр круга "всплытия пузырьков" увеличиваются. При совсем малых углах наклона уменьшается и глубина погружения струи, поэтому, начиная с некоторых значений угла наклона, значения "объема перемешивания"

начинают уменьшаться. Таким образом,имеется некоторый оптимальный угол наклона струи 8опт (точнее, некоторая площадка значений угла наклона от 20° до 40°), при котором "объем перемешивания" имеет максимальные значения. Значения 90ПТ мало зависят от других параметров рассматриваемого вления; это позволяет дать простые рекомендации по проектированию систем струйной аэрации в отношении угла наклона струи, если отсутствуют какие-либо дополнительные ограничения. Для мелких водоемов и рек, в отношении которых может выдвигаться требование ненарушения донных отложений, благоприятным является тот факт, что максимальные значения "объема перемешивания" имеют место именно при малых углах наклона струи, характеризующихся небольшой глубиной погружения аэрированной струи.

В пятой главе дается методика расчета распространения затопленной аэрированной струи и сопоставление расчетных и экспериментальных результатов.

Математическое моделирование реальных пузырьковых систем, к которым относится рассматриваемая нами аэрированная струя, является гораздо более

трудной задачей, чем исследование однофазных сплошных сред. В силу этого для описания закономерностей в двухфазных системах жидкость-пузырьки большую роль играют модели, в которых для замыкания системы уравнений используются соответствующие данные экспериментальных исследований.

В основе методики многочисленных исследований турбулентных струйных течений лежит метод интегральных соотношений. Метод интегральных соотношений позволяет перейти от общих нелинейных уравнений Рейнольдса к системе более простых дифференциальных уравнений. Для замыкания получающейся системы уравнений используются дополнительные соотношения, в которых употребляются либо градиентная гипотеза Прандтля-Буссинеска для неизвестного турбулентного трения, либо задается закон расширения струи, либо применяется модель, основанная на эжекционных свойствах струй. Последняя модель получила в настоящее время широкое применение и позволяет успешно решать широкий класс задач.Рассмотрим основные свойства полученных решений. Одной из наиболее важных характеристик при этом является глубина проработки массива, за которую на первом этапе исследований может быть принята максимальная глубина распространения пузырьковой зоны. На рис. 9 изображена зависимость глубины проработки при угле наклона струи к поверхности монолита 9 = 90 градусов. Полученные расчетные кривые соответствуют значениям параметра воздухосодержания

а = 0,1; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7 [а = Кзж/(1+Кэж)], и числа Фруда в диапазоне 0 < Fr < 400. При малом значении а = 0,1, что соответствует плотности смеси 900 кг/м®, глубина проработки быстро растет с ростом числа Фруда и при больших значениях числа Фруда стремится к предельному значению hl/Do = 60. Это значение соответствует аналитическому расчету Г. П. Абрамовича для неаэрированной струи, и на этой глубине максимальная осовая скорость струи составляет около 10% от начального значения. Однако при таком малом начальном значении концентраци воздуха на больших глубинах весьма мала, то есть очень небольшое количество пузырьков воздуха может быть транспортировано на такую глубину. Практически все полученные экспериментальные данные соответствуют диапазону значений по а от 0,3 до 0,7 и по числу Фруда Fr: от 10 до 45, для контрвихревого аэратора с тангенциальными завихрителями, и от 140 до 370 для контрвихревого аэратора с лопаточными завихрителями (эти данные нанесены звездочками). Видно, что соответствие результатов расчета экспериментальным данным вполне удовлетворительное, что свидетельствует о правомерности предпосылок, принятых при разработке математической модели.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Целенаправленное регулирование кислородного режима водных объектов за счет искусственной аэрации - наиболее эффективный путь оздоровления водоемов и предовращения отрицательных последствий нарушения экологического равновесия в водных экосистемах. Механическая струйная аэрация является одним из простых и эффективных методов искусственной аэрации водных объектов, а для формирования аэрированной струи целесообразно применять контрвихревые аппараты, обладающие рядом достоинств в отношении изготовления и эксплуатации аэрационных систем.

2. Аэрированная затопленная струя является разновидностью турбулентных струй, изученных достаточно подробно, однако наличие в ней дополнительных и иных по своей природе действующих сил делает невозможным непосредственное использование известных знаний о сплошных турбулентных струях в расматриваемом случае. При изучении затопленных аэрированных струй целесообразно использовать методы физического эксперимента и математического моделирования, взаимно дополняющие друг друга. Учитывая потребности практики, целесообразно изучить распространение затопленных аэрированых струй в широком диапазоне изменения их параметров. При разработке математической модели целесообразно

использовать метод интегральных соотношений.

3. Гидравлическая установка, ее оснащение измерительными приборами и принятая методика измерений и обработки опытных данных позволили получить достоверные результаты, достаточные для научного анализа и сравнения с результатами теоретических исследований. Режим течения в процессе проведения опытов находился в зоне автомодельное™, что позволяет переносить результаты исследований на производственные объекты.

4.. Специально изготовленные для проведения испытаний контрвихревые аэраторы с тангенциальными и лопаточными завихрителями позволили получить аэрированные струи в широком диапазоне плотности и начальной скорости. Результаты опытов могут быть использованы при изучении характеристик затопленных аэрированных струй и при разработке конструкций контрихревых аэраторов для конкретных, предварительно заданных условий практики.

5. Характеристики аэрированной струи определяются формирующими струю аэрационными аппаратами. В случае применения контрвихревых аппаратов характеристики струи, кроме этого, определяются высотным положением места выпуска струи из аэратора по отношению к поверхности прорабатываемого массива воды.

6. Погружение сопла аэратора под уровень прорабатываемого массива воды неблагоприятно отражается на воздухосодержании и глубине распространения вертикальной аэрированной струи и, если для этого нет каких - либо особых причин, не рекомендуется при проектировании систем струйной аэрации с контрвихревыми аэраторами.

7. Существует оптимальная высота расположения сопла _ контрвихревого аэратора, равная примерно (0.8 - 1.5) его диаметра и

обеспечивающая формирование вертикальной струи с наивысшим воздухосодержанием, отличающуюся максимальной глубиной распространения в прорабатываемый массив.

8. Распространение вертикальных аэрированных струй с разным воздухосодержанием, формируемых контрвихревыми аэраторами с тангенциальными и лопаточными завихрителями, характеризуется принципиально общими особеностями, но имеет разные качественные показатели. Сильно аэрированные струи, формируемые аэраторами с тангенциальными завихрителями, рекомендуется применять для интенсивного насыщения растворенным кислородом водных объектов небольшой глубины. Слабо аэрированные вертикальные струи, формируемые аэраторами с лопаточными завихрителями, рекомендуется применять в водных объектах с большой глубиной

КОЛЫ.

9. Характерной особенностью распространения наклонной аэрированной струи является искривление ее траектории в силу воздействия всплывающих пузырьков воздуха. В остальном распространение наклонной аэрированной струи в принципе не отличается от случая вертикальной аэрированной струи. Существует оптимальное положение сопла аэратора ( в диапазоне от 0.9 до 1.6 его диаметра над поверхностью прорабатываемого массива), при котором коэффициент эжекции аэратора, интенсивность распространения струи, объем прорабатываемого массива воды имеют благоприятные для цепей аэрации значения.

10. Изменение угла наклона аэрированной струи приводит к существенному изменению объема перемешивания. Существует зона оптимальных углов наклона (от 20 до 40 градусов к горизонту), при которых объем перемешивания имеет максимальные значения. Предпочтительной с точки зрения затраты энергии на функционирование аэрационной установки является аэрация, в том числе перемешивание воды, с помощью более аэрированной струи.

11. Математическая модель, разработанная на основе метода интегральных соотношений для случая распространения затопленной струи, содержащей равномерно распределенные сферические пузырьки воздуха одинакого диаметра и вытекающей из круглой трубы в неподвижную среду той же жидкости, была реализована в виде уравнений, описывающих основные характеристики распространения аэрированной струи, в том числе траекторию ее центральной линии.

12. Преобразованная система уравнений движения аэрированной струи интегрировалась численно методом Рунге - Кутга на ПЭВМ. Результаты численного решения удовлетворительно совпадают с результатами экспериментальных исследований, выполненных автором, а также опубликованных ранее. Это дает основания рекомендовать разработанный метод при расчете систем струйной аэрации в инженерно - экологических сооружениях.

13. Существует достаточно много факторов, выбираемых в процессе проектирования, с помощью правильного определения которых можно для конкретных условий рассчитать наиболее эффективную систему струйной аэрации, в том числе с контрвихревыми аэраторами, используя разработаные в настоящей работе рекомендации для проектирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1. Веселы Я., Рышлавы В., Латал Т., Адамус М. Основные выводы

по опыту использования прибора ШЕКМ 22при измерениях скорости распространения аэрированной струи, формируемой контрвихревыми аэраторами. Сборник рефератов международного симпозиума по анемометрии НИИ А. Прага 1992 (на чеш. языке).

2. Веселы Я., Рышлавы В. Лабораторные исследования моделей контрвихревых аэраторов. Сборник рефератов научной конференции с международным участием по водному хозяйству и гидротехническому строительству. Брно 1992 (на чеш. языке).

Рис.1. Экспериментальная установка.

WDO--JJ7I ВЛЗв»-1.ТМ

Рис. 2. Зависимость глубины проработки массива воды вертикальной аэрированной струей, формируемой ТКВА, от глубины погружения сопла аэратора под уровень

Кэ* Ii

Л

\

\ \

\

\

Ч h/Do

ш Ш о 4.00 (.06 ¡100

Рис. 4. Зависимость коэффициента зжехцни ТКВА от расположения сопла аэраторе над уровнем

о.» ZM

h/Do 3.3.125 b/Do'-IMlS h/Co-0-0

4M

<-00 Lea

10.00 1X00

1«Л0 1100

гш

a.00 M.« »00 эе.оо

30.00

згм мдя мм

за. оо «.он

W/Do

i

Рис. 3 . Зависимость глубины проработки массива воды вертикальной аэрированной струей, формируемой ЛКВА, от глубшп погружения сопла аэратора под уровень

гю

Z30

1 - стнтедшшедвва взрцор

2 - аооюткыЗ аэратор

2.40 130

2.10 100 1.80 ¡ЯП 1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20

1.10 1.00 U0 ОЛИ

050 а« оло

tos

fr

-j Ihr*

—t 4 *b/Öo

-13.00 ^.Ю 0.М 5.00 10.00 15.00 ¡ИМ»

Рнс. 5. Зависимость коэффициента зхгаздии КВА от положении сопла аэратора

|. тгууврп^т-"-* жэрхгор 1 * тмп^щга«*«'* аэратор

Рис. 6.. Зависимость диаметра раскрыта Рте. 7. Зависммосп. объема прорабатываеиап

наклонной аэрированной струн, формируемой массива воды наклонной аэрированной струе КВА, от положения сопла аэратора " формируемой КВА, от положения сопла аэрэт

1 - кшгеяпвмьный ирхгор

Рис.8. Зависимость прорабатываемого объема массива воды наклонной аэрированной струей, формируемой КВА. от числа Фруда

Рис. 9. Зависимость Шубины проработки массива вода от числа Фруда при упк наклона аэрированной струн 0 = 90