流场涡形态对混凝效果的影响研究

发布时间：2017-12-18 12:41

  本文关键词：流场涡形态对混凝效果的影响研究

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【摘要】：本文采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette涡流场进行测量,获得各转速下涡流场信息。基于PIV测量结果,应用Fluent计算流体力学软件(CFD)对Taylor-Couette涡流场进行数值模拟,从多个层面上验证同等条件下的涡流场形态以及其所对应的转速区间的划分范围,用不同视角寻找涡流场形态特征与涡流动机制(可用旋转雷诺数Re或内筒转速n反映)间的区别与联系,对涡的形态特征及其转速分区进行确认。同时应用Taylor-Couette反应器进行各种混凝试验,再用PIV测量混凝过程,对综合了化学条件和水动力学条件的混凝过程进行全方位的同步测量与表征,定量分析反应器内涡流场形态特征与混凝效果之间的关联关系。研究以旋转雷诺数为前提和基础,并将其转换为内筒转速进行涡流场控制;有目的地制造出可重现的、不同形态的涡流场。通过重复各种混凝剂在不同水力条件下的混凝过程,将混凝过程中水力条件特征、化学条件特征、生成絮体的运动特征以及絮体形貌特征在同一实验空间中进行表征。借助混凝过程中的流场特征、浊度去除率、形成絮体的形貌变化等信息,考察流场水动力学因素对混凝效果的影响,研究不同形态涡流场中的混凝动力学机理,为传统涡絮凝理论与高效絮凝反应体系之间存在的矛盾寻找一种解决办法,以弥补传统涡絮凝理论的不足。通过将Taylor-Couette涡流场、PIV测量、数值模拟以及混凝试验相结合,可得出以下主要结论:1.可在Taylor-Couette流场环隙子午面中观察与测量到涡分布,但在环隙横截面上却不能观察到涡。因为这种涡是沿轴向排列在轴向切面上的圆环面涡,而且随转速不同,表现出不同的涡形态,因此可根据子午面上的涡分布情况研究涡特性。2.综合比较PIV测量和数值模拟结果中各转速下的涡流场形态和各向速度特征发现:转速不同,对应的涡形态特征不同。根据对各种涡形态特征和各向速度的定量分析发现各种涡形态特征对应的转速存在一定的转速分段范围,且同一区段内各转速相应的涡流场特征和各向速度分布特征很相近,不同转速区段内涡流场特征和各向速度分布特征具有较大差异。将内筒控制转速(n)回归为旋转雷诺数进行相关性分析,可将流场涡形态发生转变对应的转速大致可以划分为4个区段,并且分别对应四种涡形态:层流涡:Re为100~350(n为2~7 r/min);波状涡:Re为350~2000(n为7~40 r/min);调制波状涡:Re为2000~3150(n为40~63 r/min);湍流涡:Re大于3150(n63 r/min)。3.混凝实验显示:可形成大絮体并不代表具有好的絮凝效果,只有粒径合适且分布均匀的混凝过程效果才最好。层流涡产生的絮体粒径最大,但浊度去除率不高;波状涡和调制波状涡产生的絮体粒径相对较大,也比较均匀,浊度去除率较高;湍流涡没有大絮体产生,浊度去除率最低。说明水力条件是影响絮凝效果的重要影响因素。在以上四种涡形态中,波状涡絮凝效果最佳,层流涡混合效能不行,调制波状涡只有在药剂投加量比较大的情况下,才会有较好的絮凝效果,湍流涡条件下不适合进行絮凝反应。4.波状涡形态随时间发生周期性的膨胀和收缩变化,涡间存在主流液体传递,这种流动机制较有利于絮体颗粒的相互碰撞,结合生长成大小比较均匀、粒径相对较大的絮体,促使波状涡流场在各种药剂投加量下均能取得最佳的混凝效果。且在几种不同的流动机制中,混凝效果最佳的流动机制均为波状涡机制,所以波状涡流场可为絮凝反应提供最佳的水力条件。5.可将上述规律应用于实际絮凝池中:絮凝开始阶段,采用较高雷诺数创造有利于形成波状涡的水力条件;絮凝过程的中期,采用雷诺数较低的初期波状涡流场;絮凝过程的后期,采用层流涡帮助其生成更大粒径絮体。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU991.22
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本文编号：1304214