混凝过程中流场结构的PIV测量与表征

采用粒子成像速度场仪(PIV)在不投加专用示踪粒子的条件下,以混凝絮体为示踪粒子,对Taylor-Couette反应器内的絮凝反应流场进行测量与表征.结果表明,内筒旋转雷诺数Re在900~2900时,流场中产生的涡具有相似的特殊波状涡结构,相邻涡旋形态大小发生周期性变化,涡间存在主流液体的移动,这种涡结构有利于絮体结合生长成较大的絮体颗粒,便于沉降而导致较高的絮凝沉淀去除率.这也证实PIV技术能够在进行混凝反应的同时,用混凝过程中的微絮体为示踪粒子对混凝过程进行流场测量,不必再额外添加示踪粒子,就能较好地反映混凝过程中涡旋的形态变化特征,从而实现对絮凝过程的同步测量与表征.     

混凝过程中絮体形貌的PIV成像观测与表征

采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette反应器内的混凝过程中絮体的微观形貌进行了观测与表征.结果表明,内筒转速在20～60r/min范围内,生成的絮体颗粒较大,粒径分布均匀,絮凝沉淀效果最好.由于内筒旋转速度的变化直接导致混凝流场形态的变化,所以混凝过程中流场形态的变化对絮体生长过程有重要影响,进而直接影响到混凝效果.混凝过程中流场的周期性变化、涡间存在液体传递的波状涡结构有利于絮体颗粒的结合生长,并导致较高的絮凝沉淀去除率.这也说明PIV技术能够在测量流场的同时较好地反映混凝过程中微絮体的形貌变化特征,从而实现对絮凝过程的原位观测与表征.     

不同涡流场形态下混凝效能研究

采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette反应器中纯水力流场及添加不同混凝剂的混凝过程进行观测与研究,同时对比聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁(Fe Cl3)的混凝效能与化学条件、水力条件之间的相互关系.结果表明,几种絮凝剂的速度场都较接近于纯水力条件下的速度场,且在波状涡流场中混凝效能最好;Fe Cl3在较宽的转速范围内都能有较高的浊度去除率,而PFS在紊动强度稍大的流场中也能获得好的混凝效能.波状涡流场可为絮凝反应提供最佳的水力条件,而初期波状涡波较有利于产生大粒径絮体,可为后期絮凝反应提供更佳的水力条件.     

亚微涡旋的混凝作用研究

以粒子图像速度场仪(PIV)测得了Taylor-Couette反应器旋转内筒和固定外筒间的环隙流场图像.所得图像表明环隙间存在亚微尺度的涡旋.同时实验研究了在Taylor-Couette反应器环隙间不同涡旋形态下聚合氯化铝(PAC)对高岭土悬浊液的混凝效能.结果表明,在波涡流(WVF)形态范围内混凝效能达到了最大(50%以上),这可归因于涡的闭合特性及其随时间的膨胀和收缩.但在波涡流形态范围以外得到的混凝效能相对较低,可归因于相互连通的非闭合涡特性.     

栅条絮凝池内部流场及颗粒运动状态模拟分析

利用数值模拟方法对栅条絮凝池前段内部流场进行模拟分析,以涡旋速度梯度和湍动能作为综合评价指标,对其结构设计的合理性进行了验证。在流场中加入了11组不同粒径和有效密度的絮凝颗粒,每组在流场入口处随机释放98560个粒子,利用DPM模型对粒子运动轨迹进行追踪统计。结果表明:随着絮凝颗粒的增大,其有效密度呈相应下降趋势。絮凝颗粒直径为1~1000 μm,沉积率<10%,且在各竖井内沉积均匀,能够很好地满足絮凝要求。当颗粒粒径为1000~5000 μm时,沉积率呈急剧上升趋势,但在各竖井内沉积较为均匀。当颗粒粒径进一步增大至10000 μm时,大量粒子在第1段竖井内沉积,不利于排泥的均匀性。综合考虑沉积率和排泥均匀性,实际工程中应尽量避免出现1000 μm以上的大粒径絮凝体。     

壳聚糖助凝对PAC混凝过程的影响

以聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂,壳聚糖(CTS)为助凝剂在Taylor-Couette反应器中进行混凝实验.采用粒子成像速度场仪(PIV)研究了不同内筒转速(水力学条件)下 CTS 助凝对PAC混凝过程中絮体形态和浊度的影响.结果表明,添加CTS后,相应的混凝效果都得到提高,但与单独使用PAC时产生的变化趋势一致,说明适宜的化学条件下,水力条件是制约混凝效果的关键因素;且添加助凝剂有助于降低混凝过程对流体力学条件的依赖性,提高混凝的稳定性.     

Taylor-Couette流场数值模拟及絮凝效果研究

通过流体力学中的Fluent软件模拟了Taylor-Couette反应器的速度矢量分布、湍动动能分布和有效能耗分布,同时实验研究了TaylorCouette反应器不同内筒转速下三氯化铁对高岭土悬浊液的絮凝效能.结果表明,内外筒环隙间存在亚微尺度的涡旋,当转速为30～60 r·min-时,涡旋形状闭合完整,相互分离,涡旋内部速度梯度较小,湍动动能k在0.00010 ～0.00023 m2·s-2的范围内,有效能耗ε在0.00057 ～0.00189 m2·s-3的范围内,絮凝效能达到最大(80％以上),湍动动能和有效能耗过大或过小均不利于形成完整闭合的涡旋,絮凝效能较差.     

絮凝过程中絮体生长的多重分形行为

为了研究絮体在絮凝过程中生长的多重分形行为,对用PFS(聚合硫酸铁)处理高岭土原水时混凝过程中絮体生长段的絮体图像进行采集和分析;分析图像多重分形谱及其特征参数行进趋势,而且针对絮体生长规律着重对絮体形态及其分布的演变情况进行了定量化描述.结果表明,随着絮体生长的进行,多重分形谱图的形态由左钩状逐渐转变为右钩状,描述絮体分布均匀性的多重分形谱谱宽Δα由50 s时的1.0213逐渐增大至250 s时的1.3659,Δf(α)的数值大小由于大概率和小概率絮体主导地位的改变而由负转正,f(α)max所表示的简单分形维数由1.9995逐渐降至1.7762.     

多级孔板扰流泡沫发生器流场模拟分析

通过数值模拟方法,对内锥和多级孔板组合扰流结构下的泡沫发生器流场进行了模拟和分析。通过CFD流场模拟软件Fluent,以泡沫发生器的真实操作工况为边界条件进行建模,得到了气液两相掺混流场的结构和重要动力学参数,并进行了分析。发现扰流件的下游区域存在一个较稳定回流区,同时在多级孔板区域流场的湍动能及湍动能耗散率较高,对泡沫发生器中气液两相掺混有利。扰流件下游液相分布较为均匀,进一步验证了发泡器内部气液掺混效果较佳。通过流场模拟,验证了圆锥和四级孔板组合扰流结构对强化泡沫发生器内气液掺混的有效性。     

引入分形维数的混凝动力学方程数值求解

运用Smoluchowskj基本原理,建立了引入絮凝体分形维数的混凝动力学模型.该模型在絮凝过程中考虑了不同时刻形成的絮凝体中引入的初始颗粒数目和空隙率,并以此来推求不同时刻形成的絮凝体所对应的分形维数.采用有限差分法对建立的混凝动力学模型进行了数值计算.结果表明,初始颗粒的结构特征和碰撞效率是影响絮凝体粒径分布的主要因素.初始颗粒的分形维数和碰撞效率越大,絮凝体粒径分布越宽泛,大尺寸的颗粒所占的份额越多.同时计算结果表明,絮凝体的分形维数有随其粒径增大而逐渐降低的趋势,其原因是絮凝体的成长粒径与絮凝体中所包含的初始颗粒增长速度不成比例.以腐殖酸为混凝对象,采用硫酸铝作为混凝剂进行混凝实验,并以其初始絮凝条件作为数值计算初始条件,研究表明数值计算分析结果和模拟结果吻合较好.     

异波折板流场模拟分析与结构优化

基于FLUENT技术,以连续方程、Navier-Stokes方程及k-epsilon湍流方程作为流动基本控制方程,对异波折板絮凝反应流场进行了数值模拟,并通过网格独立性检验,保证了模拟结果的真实性.以流场速度分布、紊动动能、有效能耗作为评价标准,根据数值模拟提出了不同絮凝段的最优折板单元组合.结果表明,夹角90°的短折...     

机动车尾流区CO2扩散特征的数值分析

为了研究车辆运动过程中尾流区排放污染物的扩散情况,通过CFD软件FLUENT 6.1.22TM中湍流模型和组分输运方程对单辆货车尾流区内的气流速度、湍流动能和排气管排放的CO2浓度的分布进行了模拟.通过模拟结果与风洞实验的数据对比验证了模拟结果的适用性.分析了车速,排气管出口温度和湍流动能对货车尾流区内CO2扩散过程的影响,结果表明,由于出口直径和流速相对较小,排气管射流对尾流区流场的影响不明显;在排气管出口处CO2的浓度梯度最大,且随着与车尾距离的增加浓度迅速减小;尾流区内CO2在x、y、z3个方向上的浓度变化速度均随车速的增加而增加;且在尾流区内相同位置处.车速越大CO2浓度越低;排气管出口与外部环境温差对污染物扩散的影响仅局限于距离车尾0.75倍车长范围内;湍流动能最大值出现在尾流区内,有利于CO2的稀释和扩散.     

絮凝动力学的现状与研究方法进展

在絮凝动力学的发展中先后提出了Smoluchowski理论、Camp-Stein理论和微涡旋理论,但迄今尚存在若干不足,特别是还不能全面揭示湍流絮凝的致因,也未能得到符合实际的湍流絮凝速度方程,严重影响了水处理絮凝工艺与设备的设计及放大.近年来,粒子图像速度场仪(PIV)和计算流体力学(CFD)的发展为深入研究絮凝动力学提供了新的手段和方法,有望使湍流絮凝动力学得到进一步发展.     

涡漩水流对混凝沉淀效果影响的研究

应用粒子图象测速技术，建立了研究往复隔板絮凝池涡漩流场的室内测试系统，对往复隔板絮凝池拐弯处水流涡漩运动进行了研究，运用粒子图象测速技术，可进行多点同步测量，获得速度随时间变化的平面和空间分布，因该技术是非常接触式的，不干扰流场，故提高了可靠性，使用量测系统软件，对不同方案的涡漩运动进行了分析，并对混凝沉淀效果进行了比较。     

建筑扰动条件下大气流动与扩散的CFD模拟

用FLUENT模式对中性大气、单个建筑的气流扰动情况进行模拟,并以风洞试验数据检验模拟效果;将模拟方法应用于类似城市建筑阵列条件的大气污染扩散问题,并且与现场示踪试验比较. 结果表明:FLUENT对建筑扰动条件的平均风场模拟效果良好,FAC2(模拟值与试验值之比在0.5~2之间的比例)在水平与垂直风速下分别达到77.9%与61.0%;对湍流特征量的模拟偏差稍大,K(湍流动能)虽总体偏小,但FAC2仍达到了54.6%. 选择湍流闭合的标准K-ε(ε为湍流动能耗散率)方案、重整化群K-ε方案和雷诺应力模型方案对结果的影响均不大. 采用FLUENT模拟了类似城市街区建筑阵列条件的大气扩散个例, 模拟结果反映了建筑扰动导致的扩散烟流轴线相对于平均风向的非常规偏移,并且扩散浓度与示踪试验结果相符较好,下风向32与63m处的侧向模拟浓度峰值的相对误差分别为72.5%与36.9%. 相比于高斯模式ISC3,FLUENT对复杂建筑阵列条件的扩散模拟结果更符合实际,如污染物向上风向扩散以及在建筑物周围堆积与绕流的现象. FLUENT扩散模拟还显示:近源处相邻建筑街道峡谷中的最大浓度沿下风向“阶跃”式减小,排放源所在街道峡谷中的最大浓度可比相邻街谷中的高几倍甚至1个数量级以上.