潜水搅拌机是污水处理过程中必不可少的搅拌 机械，它是以旋转运动吸收主机功率，并产生诱导速 度，进而对流体产生推力并形成运动，使污水处理搅拌池内混合液保持一定流速，防止活性污泥在池底 部沉积，并将污水与回流和再循环水流混合在一起 使悬浮固体物均匀分布，从而使微生物与污水之间有充分的接触，实现混合搅拌与推进. 一般池内水的 流速在 0. 3 m/s 左右，以保证池内污水的反应可以 充分进行['1']. 潜水搅拌机的水力性能可通过轴向有 效推进距离和水体截面有效扰动半径评判.
目前，国内外对潜水搅拌机的研究鲜有文献报 道. 文中应用计算流体动力学软件 Fluent 6. 3 对潜 水搅拌机的污水处理池内流场进行三维数值模拟， 通过对池内不同截面处的速度场进行分析，以得到 此类污水处理搅拌池内部流场的特点和规律; 同时 对潜水搅拌机的水力特性与功率特性进行研究，以 此选择合适的电动机.
1 物理模型及计算区域
根据潜水搅拌机设计图纸，利用 Pro/E 三维造 型软件对潜水搅拌机进行设计，用扫描混合生成曲 面，再对曲面进行过渡链接、光顺处理等操作，完成 叶片的整体造型，如图1 所示. 该潜水搅拌机叶片采 用翼型叶片，叶片数为3，叶片直径为 400 mm. 水池 尺寸为7. 0 m × 3. 0 m × 2. 4 m. 介质为常温常压下 的水，潜水搅拌机转速为 740 r/min，安装在距离水 池底部1. 0 m 的水池侧壁的中部，所配电动机功率 分别为4. 0， 3. 0， 2. 5， 1. 5 kW.
图1 潜水搅拌机叶轮模型
Fig. 1 Model of submersible mixer impeller
2 数值模拟
搅拌设备的 CFD 分析主要有 4 种方法: 黑箱 模型法、动参考坐标系法、内外迭代法和滑移网格 法. 文中研究的搅拌设备不带挡板，选择动参考坐标 系法. 将动区域内的流体设定与搅拌叶片相同的速 度进行旋转，而静止区域内的流体则是静止的. 利用 动参考坐标系法求解得到的搅拌流场是一个充分发 展流场，该流场再以一定的角速度运动，就可得到实 际的搅拌流场[2 -3].
2. 1 基本方程
控制方程包括: 连续性方程、动量方程和 RNG k - ε湍流方程. 对不可压缩流体，通用表达式[2 -3]为
式中: i， j = 1， 2， 3; ρ ui t为非定常项; uj ui xj为对流
项; μ 2ui x2 j为扩散项; ρfi 为体积力; C1ε = 1. 42; C2ε = 1. 68; k 为湍动能; ε 为耗散率.
2. 2 网格划分
潜水搅拌机在搅拌池里，叶片在电动机的驱动 下旋转搅拌液体，带动整个池内流体流动，计算区域 应为水池以及潜水搅拌机. 利用 Gambit 软件划分网 格，选择四面体非结构网格，在搅拌叶片附近进行局 部加密. 网格总数约1 280 000.
2. 3 边界条件及算法
搅拌过程中水池表面为大气压力壁面边界条 件;所有壁、搅拌轴及搅拌叶片表面均采用无滑移壁 面边界条件; 搅拌叶片、搅拌轴设置相应的转速条 件;内外子域的接触面设为 interface 类型，以保证计 算过程中内外子域之间相互耦合[2 -5]. 在 Fluent 6. 3 软件中，采用有限体积法进行方 程离散，采用 SIMPLE 算法，压力 -速度的耦合采用 PISO 算法，对流项的离散采用一阶迎风差分格式， 选取 RNG k - ε 湍流模型[6 -9]，设所有变量的残差 绝对值小于10 -4时收敛.
3 数值计算结果及分析
3. 1 数值计算结果
轴向有效推进距离 L 和水体截面有效扰动半径 R 是评判潜水搅拌机水力性能的重要标准. 轴向有 效推进距离是指在水体推流搅拌的工作有效区域内 ( 保持流速大于等于0. 3 m/s 的条件下) ，潜水搅拌 机沿轴向对水体推进的有效距离. 水体截面有效扰动半径是指在水体推流搅拌的工作有效区域内，潜 水搅拌机对水体截面产生扰动的有效半径. 图2， 3 分别为池内流体速度矢量图与池内流体 流线图. 可以看出: 潜水搅拌机搅拌的污水处理池 内，流体得到了充分的搅拌. 流体沿搅拌轴轴向推 进，与池壁的相互作用，形成两大块连续循环水流.
由图4 可以看出:在池内，距离潜水搅拌机的3 个垂直截面上，流体速度沿径向递减，潜水搅拌机在 截面的对应位置上，流体速度最大;随着截面距离增 大，流体速度径向分布增大，即潜水搅拌机的在远距 离截面上的水体有效扰动半径相对增大，且池壁对 其影响较大，会有流体经池壁碰撞反弹，产生大的流 速，使得池内搅拌死角大大减少;其最大速度出现在叶端附近，叶片区附近的流速较大，随着离开叶片区 距离的增大，流速减小，截面有效扰动半径 R≥1. 5 m. 图5 为搅拌池内 Y =0 截面上流体轴向的推进情 况. 可以看出:池内流体完全推进到水池最远处，且 最远处的流体的速度达到 0. 3 m/s，搅拌效果较好. 在保持流速大于等于0. 3 m/s 的情况下，其轴向有 效推进距离大于池长 7. 0 m，完全满足该搅拌池的 搅拌要求.
3. 2 搅拌机的功率
池内液体运动的能量来自叶片，叶片功率消耗 的大小是池内液体搅拌程度和运动状态的量度，同 时也是选择电动机功率的依据. 搅拌作业功率为 P1 = ρn3d5NP， ( 5 ) 叶片搅拌功率为
搅拌作业功率与叶片形状、大小和转速、液体性 质、池的尺寸和内部附件以及叶片在池内位置有 关['8']. 搅拌机的功率 P3 若小于搅拌作业功率P1 时， 可能使过程无法完成，或者可能延长操作时间而得 不到最佳方式. 搅拌机的功率 P3 若过分大于搅拌作 业功率 P1 时，则会浪费动力. 利用 Fluent 软件强大的后处理功能，结合公式 ( 5) ，( 6) 可计算出 P1 和 P2. 分析数值模拟结果可 知，池内流体流速在 0. 3 m/s 以上，符合其工作需 要，即其搅拌作业功率 P1 达到了要求，故 P2 > P1.读取潜水搅拌机叶片功率为 P2 = 2. 53 kW. 故选取 电动机功率 P3 = 3. 0 kW， P2 < P3，且 P3 没有过分 大于 P2，符合功率关系且节能.
4 结 论
1) 潜水搅拌机搅拌池内流体形成连续循环水 流，池内流体充分搅拌. 池内流体流速基本都在0. 3 m/s 以上，符合其工作要求.
2) 由潜水搅拌机的轴向有效推进距离与水体 截面有效扰动半径可知，该潜水搅拌机与该污水处 理池相匹配.
3) 可由功率关系选取合适的电动机.