新型空化器设计及其流场与降解特性研究
日趋复杂的工农业废水对生态环境与人类健康造成了较大威胁,水力空化作为一种新兴的水处理技术由于成本较低、可以处理多种难降解的有机污染物且不会二次污染而受到广泛关注。空泡在溃灭时会在局部产生高温、高压的局部热点,极端环境下的水分子裂解产生氧化性极强的羟基自由基（OH）,与水中的有机物发生化学反应,这是空化技术得以应用于降解有机物污染物的基本机理。本文基于该机理提出了空化器的优化设计方案,设计了安装喉部分流部件的新型文丘里管,并针对该型空化器开展了数值模拟、清水试验以及典型污染物的降解试验,深入分析了空化流场的非定常特性和降解特性,并为空化器的优化设计给出了一定的指导建议。在优化设计方面,本文从能量转化的角度出发,以空化体积大小作为优化判据,采用稳态RANS方法进行了空化流场的数值模拟,对不同扩张角度（β）、不同喉部特征参数（γ）的空化器在不同的入口压力下进行了多工况的模拟与分析。确定了优化结果:γ=0.67,β=10°,来流入口压力为0.6MPa。在空化流场非稳态特性研究方面,本文采用大涡模拟（LES）方法开展了瞬态流场的数值研究和清水介质的试验研究。使用LES进一步研究了新型文丘里管空化流场的时空演化规律,发现空化流场具有准周期特征,并分析了云空化的脱落机制。开展了流场的高速摄像、壁面压力脉动测量和溃灭噪声测量。采用本征正交分解（POD）和动态模态分解（DMD）分析了空化流场的流动结构与频率特征;空化的脱落与溃灭行为对流场压力脉动造成了很大影响;可以通过噪声平均声压级来间接判断空化溃灭强度,经分析溃灭噪声的频域特征,发现空化溃灭显著增加了噪声的高频分量。在降解试验方面,先后以罗丹明B、氧氟沙星和消毒副产物为处理对象开展了降解试验。首先,在多个工况下对一定浓度的罗丹明B进行降解试验,经系统40min循环降解达到的最大降解率为16.7%,以此确定了新型空化器的最佳工况为入口压力0.4MPa,出口压力0.05MPa。然后,以氧氟沙星为被降解污染物与前人的试验结果进行比对,提出了通过次数作为客观评价空化器降解能力的指标,经计算,新型文丘里管是多孔孔板降解能力的4倍;在酸性条件下的处理效果优于中性条件。最后,用该型空化器对消毒副产物进行了降解试验,验证了对混合污染物的降解效果,说明了水力空化技术处理该类污染物的潜力。结合清水与降解试验,揭示了流动特征对降解效率的影响:流场空化数、空化溃灭强度与流场周期频率都影响羟基自由基的产率,但其相互制约,不能同时达到最优值,空化器的降解效率是以上几个流动特征的综合作用结果。
- 作者：
- 海青
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2023年
- 导师姓名：
- 陈伟政；颜开
- 中图分类号：
- X703
- 关键词：
- 水力空化；优化设计；数值模拟；模态分析；有机物降解
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