《Processes》：Mechanism of Ammonia Stripping Intensification via Jet Impact Under Vacuum: A Multi-Scale CFD Study on Vortex Evolution and Energy Dissipation
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摘要专业翻译
传统空气吹脱法处理氨氮废水常受填料堵塞和传质效率低下的制约。为克服上述局限，本研究提出一种采用优化散射式（D7）多孔构型的射流冲击负压反应器（JI-NPR）。研究人员采用计算流体力学（CFD）模拟，系统考察了雷诺数（Re = 5503.4~965
摘要专业翻译
传统空气吹脱法处理氨氮废水常受填料堵塞和传质效率低下的制约。为克服上述局限，本研究提出一种采用优化散射式（D7）多孔构型的射流冲击负压反应器（JI-NPR）。研究人员采用计算流体力学（CFD）模拟，系统考察了雷诺数（Re = 5503.4~9651.0，对应流速2.76~4.84 m/s）对水动力学特性和脱氨性能的影响。结果表明，提高射流速度可显著增强冲击区内的水体积分数、合速度和压力核心强度。值得注意的是，上述增强效应在第二排（z = 146 mm）处达到最大值，这归因于负压闪蒸区干扰作用的减弱。较高的Re虽能促进界面更新和涡旋演化，从而强化传质，但同时也会加剧能量耗散并降低湍动能分布的均匀性。本研究阐明了传质强化与能耗之间的关键权衡关系，建立了Re-流场-性能的定量构效关系。研究结果为节能高效污水处理系统的设计与优化提供了理论基础。
论文解读
一、研究背景与意义
随着中国工业化和城镇化进程的快速推进，氨氮废水的排放量持续增加，对水生生态系统和人类健康构成日益严重的威胁。在众多处理技术中，空气吹脱法因其工艺简单、成本相对较低而被广泛用于高浓度氨氮废水的处理。然而，传统空气吹脱法以空气为载体介质，并采用填料塔来增大气液接触面积。在实际运行中，碳酸钙等结垢问题常常导致填料堵塞，严重损害处理效率和运行连续性，同时增加维护成本。为克服这一局限，真空辅助氨脱除技术应运而生。该技术通过建立真空环境降低系统总压，从而显著增大氨在气液两相间的分压差，为氨的脱附与分离创造强大的热力学驱动力，从源头上避免了堵塞问题，并实现了连续高效的氨脱除过程。
近年来，水射流冲击技术在废水处理领域展现出作为高效过程强化方法的巨大潜力。多股高速流体在受限空间内碰撞，产生极高的剪切力、强烈湍流和复杂涡旋结构，将液体破碎为微米甚至纳米级液滴，大幅增加气液或液液传质界面面积并显著提升界面更新速率。然而，如何将这种高效微混合与传质强化能力与真空环境等宏观工艺条件精确耦合，实现更节能、更高性能的处理效果，仍是当前研究面临的关键前沿挑战。
二、研究内容与主要结论
本研究旨在实现真空辅助氨脱除技术与多孔射流冲击技术的深度融合，以优化后的散射式（D7）多孔结构为对象，系统研究关键操作参数——射流速度——对反应器内流场演化和氨脱除过程的调控机制。研究人员采用CFD数值模拟作为主要研究工具，系统分析了四种雷诺数（Re = 5503.4、6879.3、8255.2和9651.0）条件下反应器内部多个物理场的动态演化规律，重点关注流场结构（水相分布）、速度场、压力场和涡旋特性。通过关键物理场的定量对比与机理分析，研究揭示了射流速度变化如何通过影响射流冲击强度、能量转换与耗散以及湍流混合程度，最终决定氨脱除效率。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：基于Fluent软件的三维双精度压力基瞬态求解器进行CFD数值模拟；采用Realizable k-ε湍流模型配合可扩展壁面函数进行湍流闭合；采用Mixture多相流模型表征可压缩理想气体（主相）与液态水（次相）的两相流动；采用参数化几何建模与自动网格生成技术实现计算域离散，并通过网格无关性验证确定最终网格数量为2,846,012个单元；采用实验验证方法，搭建了由液体储罐、离心泵、控制阀、流量计、JI-NPR反应器和数据采集单元组成的实验系统，使用XGZP压力传感器在冲击区上方五个测点采集实时压力数据，与模拟结果进行对比验证。模拟采用压力-速度耦合的coupled算法，压力方程采用PRESTO!离散格式，所有空间离散项均采用二阶迎风格式。
四、研究结果
流场分析。 通过水体积分数云图分析发现，射流在反应器内经历射流柱形成、变形扭曲、破碎飞溅和团块输运等多个阶段。随着Re增大，各排射流中心截面上的水体积分数呈明显上升趋势，在中心冲击点尤为显著。这主要因为Re增大导致中心冲击点压降增大，水更易通过该区域，同时更高Re强化了射流核心区的湍流混合。在Re = 8255.2时，腔内水体积分数填充效果明显更高。通过Q准则可视化涡旋结构发现，Re增大使射流间产生的涡旋更大更强，且靠近中心区域的涡旋显著更大，因为中心附近涡旋能更有效地从周围射流中吸收能量。涡旋向中心迁移是更高Re下湍动能产生集中在冲击轴上的直接结果。
速度场分析。 各排冲击速度总体上随入口射流速度增大而增大，最大合速度出现在Re = 9651.0时。初始径向射流速度的增加显著提高了冲击后速度，这是更高入口速度直接提升了射流轨迹上的速度幅值所致。Re增大加剧了流体分子间的相互作用，强化了冲击过程中的能量传递；更高射流速度赋予流体分子更大动能；射流速度变化还改变了射流路径上的压力分布，进一步促进了冲击速度的提升。当对向射流在中心区域碰撞时，轴向速度分量相互抵消，冲击点处速度幅值出现局部最小值，动能转化为静压能形成高压核心。
压力场分析。 射流从两侧对称进入反应器后，压降随射流速度增大而相应增加。流体高速通过孔口时，摩擦和黏性效应导致流速降低，动能损失转化为压力升高，即动压恢复现象。纵向对比表明，在Re = 9651.0时，第二排（z = 146 mm）冲击区的压力核心达到最大值。这一现象源于该排距负压闪蒸区较远，向上的升力对抗作用减弱，同时与上方较密集流体团块的碰撞促使局部速度更大程度耗散，使动能更充分地转化为静压能。压力峰值出现在152 mm冲击高度处，表明冲击高度对射流冲击过程的压力分布具有显著影响。
涡旋结构分析。 在低Re条件（Re = 5503.4和6879.3）下，涡核保持相对完整且均匀分布，呈现稳态涡旋结构特征，湍流强度较低，能量主要集中在大尺度相干结构中，气液界面更新速率缓慢，传质以分子扩散为主。当Re进入高值范围（Re = 8255.2和9651.0）后，涡核发生显著结构变化，原本连贯的涡旋系统出现明显破碎，上部区域涡旋结构完全瓦解，内部流线高度混沌。涡旋经历"生成、发展、破碎、重组"的持续动态循环，产生大量微尺度涡旋结构，在气液界面附近产生强烈剪切，持续破坏边界层并促进界面更新，为氨的脱附和扩散创造了有利动力学条件。然而，这种传质强化以增加能量耗散为代价，高Re条件下湍流能量级联加剧，更多动能通过黏性耗散转化为内能。
五、讨论与结论
研究人员指出，传质强化与能耗控制之间存在权衡关系，实际工艺优化需要精确调控Re以获得优化的涡旋构型，在保证充分界面更新频率的同时避免过度能量损失，最终实现脱氨效率提升与运行成本降低的双重目标。研究结果与已有文献具有良好一致性：Re依赖的湍动能和能量耗散增强与Hamdi等人的发现相符；更高射流速度改善混合和传质与Gu等人的结论一致；真空条件下的流场和压力分布特征与Dong等人的CFD模拟结果吻合；D7孔口构型的优化建立在Hu等人CFD-ML框架基础之上。
研究得出以下主要结论：第一，随Re增大，各排射流中心截面水体积分数呈明显上升趋势，中心冲击点处尤为显著；第二，冲击速度随流速相应增大，Re达到9651.0时冲击区合速度最大；第三，射流速度增大导致压降相应升高，第二排（z = 146 mm）冲击区压力核心在Re = 9651.0时达到最大值，因该排距负压闪蒸区较远，向上升力的对抗作用减弱；第四，增大流速并非总能增强混合，随射流速度升高，湍动能分布均匀性逐渐下降，且射流产生的湍动能主要集中在冲击中心周围，源于运动过程中边界层不稳定引起的卷吸效应。因此，在实际应用中应根据具体条件审慎选择Re以实现最优混合性能。
