發(fā)布時間：2017-12-18 12:41

  本文關鍵詞：流場渦形態(tài)對混凝效果的影響研究

  更多相關文章： Taylor-Couette渦流場 PIV測量 數(shù)值模擬 渦形態(tài)特征 混凝效果

【摘要】：本文采用粒子成像速度場儀(PIV)對Taylor-Couette渦流場進行測量,獲得各轉速下渦流場信息。基于PIV測量結果,應用Fluent計算流體力學軟件(CFD)對Taylor-Couette渦流場進行數(shù)值模擬,從多個層面上驗證同等條件下的渦流場形態(tài)以及其所對應的轉速區(qū)間的劃分范圍,用不同視角尋找渦流場形態(tài)特征與渦流動機制(可用旋轉雷諾數(shù)Re或內筒轉速n反映)間的區(qū)別與聯(lián)系,對渦的形態(tài)特征及其轉速分區(qū)進行確認。同時應用Taylor-Couette反應器進行各種混凝試驗,再用PIV測量混凝過程,對綜合了化學條件和水動力學條件的混凝過程進行全方位的同步測量與表征,定量分析反應器內渦流場形態(tài)特征與混凝效果之間的關聯(lián)關系。研究以旋轉雷諾數(shù)為前提和基礎,并將其轉換為內筒轉速進行渦流場控制;有目的地制造出可重現(xiàn)的、不同形態(tài)的渦流場。通過重復各種混凝劑在不同水力條件下的混凝過程,將混凝過程中水力條件特征、化學條件特征、生成絮體的運動特征以及絮體形貌特征在同一實驗空間中進行表征。借助混凝過程中的流場特征、濁度去除率、形成絮體的形貌變化等信息,考察流場水動力學因素對混凝效果的影響,研究不同形態(tài)渦流場中的混凝動力學機理,為傳統(tǒng)渦絮凝理論與高效絮凝反應體系之間存在的矛盾尋找一種解決辦法,以彌補傳統(tǒng)渦絮凝理論的不足。通過將Taylor-Couette渦流場、PIV測量、數(shù)值模擬以及混凝試驗相結合,可得出以下主要結論:1.可在Taylor-Couette流場環(huán)隙子午面中觀察與測量到渦分布,但在環(huán)隙橫截面上卻不能觀察到渦。因為這種渦是沿軸向排列在軸向切面上的圓環(huán)面渦,而且隨轉速不同,表現(xiàn)出不同的渦形態(tài),因此可根據(jù)子午面上的渦分布情況研究渦特性。2.綜合比較PIV測量和數(shù)值模擬結果中各轉速下的渦流場形態(tài)和各向速度特征發(fā)現(xiàn):轉速不同,對應的渦形態(tài)特征不同。根據(jù)對各種渦形態(tài)特征和各向速度的定量分析發(fā)現(xiàn)各種渦形態(tài)特征對應的轉速存在一定的轉速分段范圍,且同一區(qū)段內各轉速相應的渦流場特征和各向速度分布特征很相近,不同轉速區(qū)段內渦流場特征和各向速度分布特征具有較大差異。將內筒控制轉速(n)回歸為旋轉雷諾數(shù)進行相關性分析,可將流場渦形態(tài)發(fā)生轉變對應的轉速大致可以劃分為4個區(qū)段,并且分別對應四種渦形態(tài):層流渦:Re為100~350(n為2~7 r/min);波狀渦:Re為350~2000(n為7~40 r/min);調制波狀渦:Re為2000~3150(n為40~63 r/min);湍流渦:Re大于3150(n63 r/min)。3.混凝實驗顯示:可形成大絮體并不代表具有好的絮凝效果,只有粒徑合適且分布均勻的混凝過程效果才最好。層流渦產(chǎn)生的絮體粒徑最大,但濁度去除率不高;波狀渦和調制波狀渦產(chǎn)生的絮體粒徑相對較大,也比較均勻,濁度去除率較高;湍流渦沒有大絮體產(chǎn)生,濁度去除率最低。說明水力條件是影響絮凝效果的重要影響因素。在以上四種渦形態(tài)中,波狀渦絮凝效果最佳,層流渦混合效能不行,調制波狀渦只有在藥劑投加量比較大的情況下,才會有較好的絮凝效果,湍流渦條件下不適合進行絮凝反應。4.波狀渦形態(tài)隨時間發(fā)生周期性的膨脹和收縮變化,渦間存在主流液體傳遞,這種流動機制較有利于絮體顆粒的相互碰撞,結合生長成大小比較均勻、粒徑相對較大的絮體,促使波狀渦流場在各種藥劑投加量下均能取得最佳的混凝效果。且在幾種不同的流動機制中,混凝效果最佳的流動機制均為波狀渦機制,所以波狀渦流場可為絮凝反應提供最佳的水力條件。5.可將上述規(guī)律應用于實際絮凝池中:絮凝開始階段,采用較高雷諾數(shù)創(chuàng)造有利于形成波狀渦的水力條件;絮凝過程的中期,采用雷諾數(shù)較低的初期波狀渦流場;絮凝過程的后期,采用層流渦幫助其生成更大粒徑絮體。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU991.22
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本文編號：1304214