曝气机作为一种重要的污水处理设备已得到了广泛推广和使用。虽然目前市场上有许多类型的曝气机,但是现有曝气机存在着一定的不足,如倒伞型曝气机不能进行深层曝气,曝气效率低,安装不方便;潜水式曝气机只能用于专门的污水处理池中曝气。因此,在当前形势下,分析市场上现有产品的不足,对现有产品进行曝气机理研究及结构优化设计具有重要的现实意义。基于市场上常用曝气机尤其是倒伞型曝气机和潜水式曝气机的结构特点,同时考虑到曝气设备可靠性、经济性、技术先进性、稳定性等方面因素,本文提出了一种双层曝气机构,设计了一种双层复合式潜表曝气机,制作了双层复合式潜表曝气机实验样机。该曝气机结合了潜水式曝气机、倒伞型曝气机等优点,具有广阔的市场前景,满足环境保护的新需要。首先,基于曝气机创新设计的理论基础和设计要求,对市场上常用曝气机的工作原理及结构进行研究及分析,提取出了曝气机的核心功能——溶氧,对溶氧进行功能分解,得到了四个分功能:充气功能,水利推进功能,气水混合功能,气水导流功能,并对上述四个分功能分别进行原理分析,在此基础上对初步设计方案进行了筛选、评价、总结及确定,得出了曝气机的相对最优设计方案。其次,基于相对最优设计方案,提取出了曝气机的主要装置:供气装置,水利推进装置,气水混合装置,气水导流装置,提出了中空主轴充气、倒伞叶轮与推流片同轴双层二次曝气结构,绘制出了双层复合式潜表曝气机的原理样机图,并详细介绍了其结构组成部分及工作原理。然后,基于计算流体力学对倒伞叶轮单独工作时、推流片单独工作时及倒伞叶轮与推流片组合工作时曝气池流场分别进行Fluent数值模拟,以验证设计方案的可靠性,在此基础上又对倒伞叶轮与推流片在不同高度差下曝气池流场进行了数值模拟,以找出相对最优高度差。最后,结合双层复合式潜表曝气机的三维原理样机图及流场迭代结果,基于结构的工作原理、结构特点及创新点进行其实验样机及简易模型的制作,并绘制出其重要结构部分的工程图。本文所做的工作,为今后针对曝气机的深入研究打下了坚实的基础,数值模拟结果表明:该双层复合式潜表曝气机气水混合充分,服务面积大,水体循环时间短,实现了水体浅层和深层的二次曝气,提高了曝气效率,对以后开发新产品起到了积极作用,具有重要的现实意义。