船舶壓載水處理過程中自由基氣液垂直橫射流混合過程的數(shù)值研究.pdf

1、外來生物入侵性傳播是海洋生態(tài)環(huán)境面臨的四大威脅之一。海洋外來生物在新的適宜生存環(huán)境中異常繁殖，會對近岸海域的生態(tài)系統(tǒng)帶來災難性破壞，甚至導致本地土著物種的滅絕，嚴重威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的安全。船舶壓載水的給排過程是造成地理性隔離水體間海洋生物傳播的最主要途徑，壓載水攜帶的入侵物種已經(jīng)給全球經(jīng)濟帶來了巨大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，這種損失每年以近百億美元的速度遞增。因此，對船舶壓載水在排放前進行有效處理已勢在必行。 以羥基自由基為主的高級

2、氧化技術(shù)在水處理技術(shù)應用中取得了較大進展，目前的研究表明，在所處理壓載水量較少且保證羥基自由基與壓載水及時快速均勻混合的條件下，羥基自由基殺滅入侵微小生物具有速度快、無二次污染的特點，因此，利用其快速氧化能力在排放管路中治理船舶壓載水成為可能，該方法已受到國際海事組織(IMO)的高度關(guān)注。然而在遠洋船舶壓載水羥基自由基治理技術(shù)開發(fā)研究中發(fā)現(xiàn)，①船舶壓載水的注排管路直徑大，管內(nèi)水流流速高、流量大，給處理壓載水所需的自由基氣液快速達到閾值混

3、合帶來了挑戰(zhàn)；②船舶壓載水注排管路長度有限，加之自由基壽命短，因此，自由基只有在極短的時間內(nèi)、極短的路徑上實現(xiàn)快速達到閾值混合才能保證外來入侵微小生物的滅活效果：③只有保證自由基氣液與壓載水快速混合時不影響外排管路的過流能力，才能避免增大壓載泵功率和大幅加大壓載水管路直徑。以至于自由基氣液同壓載水快速均勻混合程度決定了船舶壓載水的最終處理效果，成為工程化處理船舶壓載水的制約因素之一。 本文首次提出少量自由基氣液與大量高流速壓載

4、水快速達到閾值混合是制約工程技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。因此以自由基氣液與壓載水快速達到閾值混合為目的，對比各種管路混合器，在不影響壓載水排放管路過流能力的基礎(chǔ)上，確定了混合過程壓力損失較小的T型管作為自由基氣液與壓載水快速混合的方式。運用Elurian-Elurian兩相流模型對其展開數(shù)值研究，深入分析了射流與橫流動量比、管徑比及雙支T型管間距比對混合過程的影響，其結(jié)果表明射流主體在主管路中的及時擴散程度主要受動量比和管徑比的影響。在有限

5、長的橫流管路中，單支T型管下游橫斷面上的“混合死區(qū)”始終存在，說明不能滿足在船在線處理壓載水時快速達到閾值混合的要求；而雙支T型管射流與橫流的及時均勻混合程度除受動量比和管徑比影響外，還受兩支管間距的影響，在保證間距比為RL=0.05，且滿足動量比RM≥6.40及管徑比Rd≥0.10的條件下，在橫流流經(jīng)1s的距離內(nèi)，斷面未混合度可降低到0.5；同時，對T型管混合器壓力損失分析發(fā)現(xiàn)，雖然射流主體的壓力損失較高，但是對橫流的壓力損失影響較小

6、，即混合過程對壓載水管路的過流能力影響輕微。 針對自由基氣液同壓載水快速達到閾值混合決定船舶壓載水最終處理效果的“瓶頸”問題，本文設(shè)計出了一種交錯對噴T型管混合器，該混合器的橫流壓力損失較小，對于現(xiàn)有船只及在造船只僅需要對混合段進行改造，無需增大壓載泵的揚程及壓載水排放管路的直徑；在噴口下游橫流流經(jīng)1s的距離內(nèi)射流與橫流的未混合度低于0.5，突破了制約羥基自由基殺滅致死入侵微小生物最終效果的“瓶頸”，并為在船在線處理船舶壓載水