本文選題：深床過(guò)濾　切入點(diǎn)：截留　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：以砂濾為代表的深床過(guò)濾是工業(yè)上傳統(tǒng)的過(guò)濾操作,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,過(guò)濾效果好,運(yùn)行費(fèi)用低,在水處理領(lǐng)域被廣泛采用。為了深入了解深床過(guò)濾機(jī)理,并指導(dǎo)過(guò)濾工藝的設(shè)計(jì)和操作,人們建立了眾多深床過(guò)濾理論。它們主要通過(guò)研究過(guò)濾濾料間隙中懸浮顆粒的沉積來(lái)建立出水濁度的宏觀經(jīng)驗(yàn)公式,沒(méi)有揭示過(guò)濾的微觀過(guò)程和本質(zhì)。針對(duì)隨機(jī)Voronoi網(wǎng)格與深床過(guò)濾濾料孔隙結(jié)構(gòu)相似性、以及逾滲模型中的逾滲過(guò)程與深床過(guò)濾中懸浮顆粒堵塞孔道過(guò)程的相似性,基于逾滲理論建立了截留機(jī)制主導(dǎo)的深床過(guò)濾微觀模型,并通過(guò)逾滲理論分析、小試實(shí)驗(yàn)、深床過(guò)濾的數(shù)值模擬對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證分析,最后給出了兩個(gè)該模型在實(shí)際工程中應(yīng)用實(shí)例。由于現(xiàn)有理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋存在缺陷,而逾滲模型與過(guò)濾過(guò)程又非常類似,因此,基于逾滲理論分析建立了宏觀過(guò)濾系數(shù)λ與微觀參數(shù)如孔徑分布(pore size distribution,PSD)、懸浮物粒徑(rs)和有限集團(tuán)分布函數(shù)ns(p)間的關(guān)聯(lián)公式。針對(duì)各種網(wǎng)格的座逾滲研究了ns(p)的統(tǒng)計(jì)行為,并建立描述ns(p)的方程log[ns(p)]=a(p)·s+b(p,d)·logs+c(p,d,z),研究了方程系數(shù)和占據(jù)比例p,網(wǎng)格維度d以及網(wǎng)格配位數(shù)z之間的關(guān)系。結(jié)合ns(p)的結(jié)果得到了截留機(jī)制下過(guò)濾系數(shù)與微觀參數(shù)的逾滲過(guò)濾模型,即λ=K?(1-fl*)β�；谶^(guò)濾集團(tuán)結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析獲得了歸一化出水懸浮物濃度(Ce/C_0)的計(jì)算公式。對(duì)于冪律公式以及基于過(guò)濾集團(tuán)結(jié)構(gòu)分析的公式,PSD是個(gè)非常關(guān)鍵微觀參數(shù),PSD參數(shù)對(duì)兩公式的敏感性分析表明,前者隨μ的增加將導(dǎo)致冪指數(shù)的衰減,而σ的增加將導(dǎo)致冪指數(shù)的增加;后者隨著μ的增加,預(yù)測(cè)Ce/C_0對(duì)于同樣大小rs是增大的,隨著σ的增加,預(yù)測(cè)Ce/C_0對(duì)于同樣大小rs是減小的。為驗(yàn)證模型,建立了一個(gè)截留機(jī)理主導(dǎo)的深床過(guò)濾小試裝置,使用不同的單分散的懸浮物顆粒通過(guò)玻璃珠堆積形成的多孔濾料柱并監(jiān)測(cè)進(jìn)出水懸浮物濃度。通過(guò)3種方法即堆積法,基于笛卡爾理論的Monte Carlo拉丁超立方抽樣法和基于平行管模型(parallel tube model,PTM)的方法估計(jì)了多孔濾料的孔徑分布,并用現(xiàn)有的理論如經(jīng)典過(guò)濾理論,平行管模型等理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明它們預(yù)測(cè)出水濃度與實(shí)驗(yàn)值一致,但擬合的兩個(gè)孔室間的平均距離遠(yuǎn)大于平均孔徑和濾料顆粒的粒徑,這與實(shí)際情況不符。采用目前的網(wǎng)格模型預(yù)測(cè)出水濃度也與實(shí)驗(yàn)值也不相符。對(duì)于本文的理論模型,采用小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。為了進(jìn)一步驗(yàn)證逾滲過(guò)濾模型,并考查微觀參數(shù)的作用機(jī)制,建立了截留機(jī)理主導(dǎo)過(guò)濾過(guò)程數(shù)值模擬模型,研究了一些模擬參數(shù)如網(wǎng)格類型,網(wǎng)格配位數(shù)z,PSD,粒子捕捉機(jī)制等對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響,尋求最優(yōu)模擬條件。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)格模擬獲得的不同尺寸rs對(duì)應(yīng)Ce/C_0符合前面的冪律公式。PSD參數(shù)相同時(shí),同一網(wǎng)格的最小捕捉機(jī)制下模擬數(shù)據(jù)擬合的冪指數(shù)大于最大捕捉機(jī)制,不同網(wǎng)格同一尺寸rs對(duì)應(yīng)的Ce/C_0和擬合的冪指數(shù)隨著z的增加而增加,這種趨勢(shì)在最小捕捉機(jī)制中更明顯。PSD參數(shù)相同時(shí),模擬參數(shù)如網(wǎng)格類型,網(wǎng)格配位數(shù)z,粒子捕捉機(jī)制對(duì)數(shù)值模擬影響對(duì)最終可歸結(jié)為總捕捉概率。PSD參數(shù)變化將會(huì)改變通道流量和通道類型權(quán)重,由此來(lái)影響網(wǎng)格上過(guò)濾過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)采用合適模擬條件,模擬的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)條件下模擬,考察了多種2D和3D網(wǎng)格,結(jié)果表明模擬條件采用最大捕捉機(jī)制,網(wǎng)格BCC網(wǎng)格(z=8),PSD使用PTM方法來(lái)估計(jì),模擬的歸一化出水懸浮物濃度和冪指數(shù)(0.878±0.031)與實(shí)驗(yàn)值(0.872±0.278)基本一致。最后,將逾滲過(guò)濾模型用于實(shí)際工藝中濾料過(guò)濾效果預(yù)測(cè),判斷其級(jí)配合理性。對(duì)于給定的濾料和懸浮物分布,將逾滲過(guò)濾模型結(jié)合過(guò)濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)了濾料的孔徑分布,并與其他方法獲得孔徑分布參數(shù)進(jìn)行比較和過(guò)濾計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證,探索該方法的可行性;基于前面的逾滲過(guò)濾模型,還導(dǎo)出了深床過(guò)濾多分散懸浮物顆粒的出水粒徑分布公式,并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。由此可得出濾料對(duì)懸浮物截留的尺寸和效率來(lái)判斷濾料級(jí)配是否合理。針對(duì)現(xiàn)有理論的缺陷,闡述了逾滲模型集團(tuán)的分布特征,將其應(yīng)用于深床過(guò)濾的研究,建立了截留機(jī)理主導(dǎo)深床過(guò)濾理論和數(shù)值模型,明確了微觀參數(shù)作用機(jī)制,并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)和模擬的驗(yàn)證。本文的研究揭示了深床過(guò)濾的微觀過(guò)程,其結(jié)果可在實(shí)際過(guò)濾中應(yīng)用,這對(duì)于理解過(guò)濾本質(zhì)和指導(dǎo)優(yōu)化過(guò)濾操作具有顯著理論和現(xiàn)實(shí)意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ028.53

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本文編號(hào)：1609207