氧化沟处理技术因其工艺简单、出水质量好等特点而被广泛的应用于污水处理领域。曝气机作为氧化沟工艺最为重要的机械设备,决定着氧化沟工艺的处理效率和能耗。在国内氧化沟工艺所采用的表面曝气机还是以低速、大角度倒锥、宽直板为主,该设备具有动力效率低、流速不均匀和污泥剩余量高等特点。本文根据叶片线性参数和运行参数特点,提出了以对数螺旋线为母线,NACA0012翼型为截面的新型曝气机叶片。高速旋转的翼型叶片通过在液面形成大范围的水跃射流和液下环流的方式,增强曝气机的动力效率,降低能耗。为了能够揭示该叶片的曝气机理和充氧性能。本文采用了理论分析、数值模拟和缩小比例试验的方法对新型曝气机叶片的氧传质效率、充氧机理、运动参数优化等进行了深入的研究。本文使用CFD数值模拟技术,模拟了三维非定常、气液两相流VOF模型下的圆形曝气池中流体的变化情况。验证了自由液面上方形成的明渠水跃射流过程、叶片背面大气负压区的卷吸提升作用和曝气池自由液面的位置变化情况。曝气池内流体流速随着深度的增加逐渐降低,液面下方流体在叶片提升力的作用下形成环流,不断更新和补充被射流出去的液体。模拟发现在叶片中心正下方的池底和曝气池底边角落的位置速度最低,最容易发生污泥沉积。使用3D打印熔丝沉积成型技术制作了两个不同转角的曝气机叶片。使用佛劳德相似准搭建了缩小比例的试验台,开展了曝气机叶片的性能试验。研究了不同浸没深度、叶片转速和叶片转角对曝气机充氧性能的影响。发现曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力与叶片转速成正比,叶片的最优动力效率点也出现在高转速下。浸没深度的影响需要考虑叶片转速,在低转速下浸没深度对与曝气性能的影响不大,在高转速下的曝气机标准氧总转移系数和标准充氧能力随着浸没深度的增加,先增后减。两种转角的叶片都非常适合在高转速下进行曝气充氧,5度叶片的射流辐射范围太大,污水容易被甩出曝气池形成二次污染,所以该叶片的转速受到限制。相比之下10度叶片在高转速下表现会更好,而且随着转速的上升,动力效率还能继续提升。