[發明專利]一種基于量綱分析的曝氣機性能預測方法

有效

• 申請號: 201710319363.5
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107194046B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 董亮;明加意;劉厚林;談明高;王勇;王凱;劉嘉偉;張景
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/14;C02F7/00
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1.一種基于量綱分析的曝氣機性能預測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟(1)：實測曝氣池外形尺寸、實際運行時的液位高度及可供選擇的不同結構型式曝氣機的尺寸，按照幾何相似原理，將曝氣池、曝氣機按原模型縮小1-5倍，制作縮比曝氣機樣機；

步驟(2)：保持縮放前后曝氣池液位高度H與曝氣機葉輪直徑d_a的比值、曝氣機在曝氣池的相對位置不變，采用間歇非穩態法的試驗方法，通過調節轉速n測量得到縮比曝氣機模型在不同轉速下的標準充氧能力SOTR和標準動力效率SAE；

步驟(3)：將縮比曝氣機的轉速n、葉輪直徑d_a及相應轉速下的標準充氧能力SOTR、標準動力效率SAE轉化為無量綱變量，繪制縮比曝氣機吸收數與弗勞德數Y-Fr、動力效率數與弗勞德數SAE*-Fr的曲線，并采用回歸分析法分別得到Y-Fr曲線和SAE*-Fr曲線的擬合函數f_Y和f_SAE*；

步驟(4)：通過原型曝氣機的葉輪直徑d_a、運行時的轉速n換算得到原型曝氣機的弗勞德數Fr，將原型曝氣機的弗勞德數Fr代入擬合函數f_Y和f_SAE*分別得到原型曝氣機在轉速n下的吸收數Y和動力效率數SAE*，最后根據原型曝氣機的吸收數Y和動力效率數SAE*換算得出原型機在對應的曝氣池中的標準充氧能力SOTR和標準動力效率SAE。

2.根據權利要求1所述的一種基于量綱分析的曝氣機性能預測方法，其特征在于，步驟(3)中，所述將曝氣機曝氣性能轉換為無量綱變量，繪制縮比曝氣機吸收數與弗勞德數Y-Fr、動力效率數與弗勞德數SAE*-Fr的曲線，并采用回歸分析法分別得到Y-Fr曲線和SAE*-Fr曲線的擬合函數f_Y和f_SAE*；的具體步驟：

a、選定SOTR/△C為目標參數：

根據雙膜理論的基本假設，液相的傳質速率方程可表示為：

SOTR＝K_L×A×ΔC (1)

式中：SOTR為標準充氧能力，表示單位時間內轉移到水中氧的含量，mg/min；K_L為物質的濃度，表示推動力的液相傳質系數，m/min；A為氣液相界面的面積，m²；△C為液體中溶解氧的飽和濃度與溶解到液體中的氧濃度的差值，mg/m³；

式(1)中K_L和A的數值很難被單獨測量，鑒于此，在傳質氧吸收過程中整體定義吸收系數K_L×A：

K_L×A＝SOTR/ΔC (2)

用SOTR/△C的值來表示吸收系數K_L×A，選定SOTR/△C為研究的目標參數；

b、選取d_a、ρ_liquid、ν_liquid、σ、D、n、g變量參數：

目標參數由許多變量因素決定，可以概括為3類：幾何參數、物質屬性和過程參數；

在保證葉輪葉片數相同的情況下，幾何參數有3個：曝氣池直徑d_c、液位H、曝氣機葉輪d_a，由于曝氣池直徑、液位高度均能用曝氣機直徑表示，所以選定曝氣機直徑d_a為唯一幾何參數；

物質屬性包含液體屬性：密度ρ_liquid、運動粘度ν_liquid、表面張力σ，氣體屬性：密度ρ_air、運動粘度ν_air，及氣液混合屬性：氣體在液體中的擴散系數D，因氣體屬性在數值上遠遠小于液體屬性，故忽略氣體屬性的影響，選定的物質屬性有：液體密度ρ_liquid、液體的運動粘度ν_liquid、液體表面張力σ和擴散系數D；

影響氧傳質的過程參數有2個：曝氣機轉速n、重力加速度g；

綜上，可以得到目標函數與幾何參數、物質屬性、過程參數的待定函數式：

SOTR/ΔC＝f(d_a；ρ_liquid,ν_liquid,σ,D；n,g) (3)；

c、參數分析：

曝氣機的曝氣性能與SOTR/△C、d_a、ρ_liquid、ν_liquid、σ、D、n、g這8個物理量有關，根據量綱分析法中的π定理，選取曝氣機直徑d_a、液體密度ρ_liquid、轉速n為3個循環量，因此由這3個循環量可構造出5個無量綱量，將上述SOTR/△C、d_a、ρ_liquid、ν_liquid、σ、D、n、g這8個物理量的量綱列成矩陣如下，每列代表一個變量的量綱矢量：

解5個代數方程組：

得以下5組解

由此獲得5個無量綱組合

則它們的關系可寫成

d、無量綱量分析：

定義無量綱的吸收數Y來帶代替進而表征曝氣機的曝氣性能：

式(4)通過整理可以表示為：

式中：為韋伯數We；為雷諾數Re；為斯密特數Sc；為弗勞德數Fr；

試驗時，曝氣機轉動使池中的水流處于完全紊流狀態，湍流區域雷諾數Re大于10000，忽略雷諾數Re的影響；曝氣過程屬于大尺度問題，韋伯數We遠大于1，表面張力可以忽略，不計韋伯數We的影響；曝氣試驗時，不改變研究對象的物質屬性，施密特數Sc保持不變；

綜上，式(6)可簡化為：

Y＝f₄(Fr) (7)

為了對曝氣機的動力效率進行比較，需要對標準動力效率進行無量綱處理：

式中：P為功率，W；Ne為功率數，

通過上文分析可以得到類似的關系：

SAE*＝f₅(Fr) (9)

測量得到縮比曝氣機的轉速n、直徑d_a、標準充氧能力SOTR、功率P、標準動力效率SAE；

根據將轉速n、直徑d_a換算成無量綱變量Fr；根據公式(5)將標準充氧能力SOTR換算成吸收數Y；根據公式(8)將功率P、標準動力效率SAE換算成動力效率數SAE*；

再根據公式(7)和公式(9)分別繪制縮比曝氣機模型吸收數與弗勞德數Y-Fr、動力效率數與弗勞德數SAE*-Fr的曲線；

所述曝氣機的標準充氧能力用吸收數Y來表征，所述曝氣機的標準動力效率用動力效率數SAE*來表征。