Taylor-Couette流場數(shù)值模擬及絮凝效能研究.pdf

1、絮凝過程的流體力學(xué)特性是影響絮凝反應(yīng)效果的重要因素，由于水體流動的復(fù)雜性，紊流流態(tài)難以控制，絮凝反應(yīng)動力學(xué)方面的研究存在一定的局限性，而且現(xiàn)有的動力學(xué)理論（例如速度梯度理論、紊流渦旋理論）都存在各自的缺陷，并不能完全解釋絮凝動力學(xué)致因，因此有必要找出一個流態(tài)易于控制的絮凝反應(yīng)器，來研究動力學(xué)條件對絮凝的影響，并對其進(jìn)行定量分析，以揭示絮凝反應(yīng)的動力學(xué)致因，創(chuàng)造更有利于絮凝反應(yīng)的紊動流場，促進(jìn)絮凝反應(yīng)效能。
　　Taylor-Cou

2、ette流場發(fā)生在在外筒固定、內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的兩個同心圓柱體的間隙之間，通過人為控制內(nèi)筒轉(zhuǎn)速，就可以得到環(huán)狀間隙中不同形態(tài)的Taylor渦旋，這些渦旋的尺度與環(huán)狀間隙的寬度近似，屬于亞微渦旋。
　　本論文結(jié)合數(shù)值模擬和絮凝實(shí)驗(yàn)，研究了不同水力條件對絮凝效果的影響，對合理選擇絮凝工況、提高絮凝效率和優(yōu)化絮凝工藝有預(yù)測作用和實(shí)際指導(dǎo)意義，對湍流狀態(tài)下流體對絮凝效果產(chǎn)生的影響具有一定的科學(xué)意義。
　　選用Taylor-Couette反應(yīng)

3、器作為研究對象，通過數(shù)值模擬反應(yīng)器流場和在反應(yīng)器中進(jìn)行的絮凝實(shí)驗(yàn)，來探求反應(yīng)器流場對絮凝效能產(chǎn)生的影響，以揭示絮凝反應(yīng)的湍流動力學(xué)致因。
　　本論文進(jìn)行的主要工作如下:
　　(1)通過FLUENT軟件，對Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)狀間隙內(nèi)的流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過流場仿真實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)水流結(jié)構(gòu)的可視化，研究反應(yīng)器內(nèi)各流場特性的變化規(guī)律。這些流場特性有Taylor-Couette流場速度矢量分布，湍動動能分布，湍動強(qiáng)

4、度分布和有效能耗分布等，通過數(shù)值模擬可定性定量的分析其對絮凝效能產(chǎn)生的影響。
　　(2)通過數(shù)值模擬，研究Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)狀間隙內(nèi)渦旋的形態(tài)、大小分布、方向以及變化規(guī)律，同時驗(yàn)證數(shù)值模擬方法在水處理絮凝學(xué)中應(yīng)用是否合理。
　　(3)設(shè)計(jì)絮凝實(shí)驗(yàn)，包括正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)，以確定最佳化學(xué)條件。在進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)時，通過顯微攝影技術(shù)和圖像分析法，同步測量絮體的分形維數(shù)，研究絮體形態(tài)特征。
　　(4)將數(shù)值模

5、擬結(jié)果和絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，對絮凝過程中的復(fù)雜現(xiàn)象作出合理解釋，并驗(yàn)證以數(shù)值模擬中的流場特性作為絮凝過程的評價指標(biāo)是否合理。
　　通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，本論文得到以下結(jié)論:
　　通過數(shù)值模擬和絮凝實(shí)驗(yàn)，表明流體的流動機(jī)制為波狀渦和調(diào)制波狀渦，即轉(zhuǎn)速在10～60r/min范圍內(nèi)的絮凝效果最好，這一范圍內(nèi)形成的渦旋為閉合渦旋，閉合渦旋為絮凝提供了反應(yīng)場所，絮體顆粒在封閉空間內(nèi)運(yùn)動，提高了相互碰撞的頻率;而層流渦主要以周向運(yùn)動為

6、主，湍流渦敞開，相互連通，這兩種情況下顆粒間的碰撞頻率相對較小，故絮凝效果較差。
　　閉合渦旋的周期性膨脹和收縮，導(dǎo)致較高的混凝效率。因?yàn)殚]合渦旋的周期性膨脹和收縮增大或減小了渦內(nèi)一些顆粒的運(yùn)動速度，甚至改變其運(yùn)動方向，造成渦內(nèi)局部瞬時速度梯度較原有梯度有所增加，從而引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞。
　　絮凝主要發(fā)生在渦旋內(nèi)部，而渦旋內(nèi)部速度梯度小，對絮凝效果貢獻(xiàn)小，因此速度梯度不是導(dǎo)致絮凝的主要原因。
　　Taylor

7、-Couette反應(yīng)器內(nèi)外筒環(huán)隙間存在亞微尺度的渦旋，當(dāng)轉(zhuǎn)速為10～60r/min時，渦旋形狀閉合完整，相互分離，渦旋內(nèi)部速度梯度較小，此時的體積平均湍動動能在2.64E-05～0.00023m2·s-2范圍內(nèi)，體積平均湍流強(qiáng)度在0.418％～1.17％范圍內(nèi)，體積平均有效能耗在6.57E-05～0.00189m2·s3范圍內(nèi)，有利于形成完整閉合渦旋，閉合渦旋的周期性膨脹和收縮使顆粒有效碰撞，絮凝效能（80％以上）和分形維數(shù)值(1.35