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摘要：本发明是一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，属于环保设备领域，包括依次连通的第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、齿纹涡流槽11、圆锥扩张段12以及第二稳流直管段13；在喉管段10和圆锥扩张段12之间安装有齿纹涡流槽11。第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、圆锥扩张段12和第二稳流直管段13的内表面均光滑，齿纹涡流槽11的内表面攻有齿纹；齿纹涡流槽11入口连接圆孔与喉管段10的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽11的出口连接圆孔与圆锥扩张段12的小端直径相同并直接连接。本发明通过在传统文丘里水力空化装置内增加齿纹涡流槽11，提高文丘里水力空化装置的空化效率，消除空化区域的脉动现象，增强污水处理效果。

主权项：1.一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、齿纹涡流槽11、圆锥扩张段12及第二稳流直管段13，其特征在于：在喉管段10和圆锥扩张段12之间安装带齿纹的齿纹涡流槽11，所述第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、圆锥扩张段12和第二稳流直管段13的内表面光滑，所述齿纹涡流槽11的内表面带有齿纹，同时所述齿纹涡流槽11的流入连接圆孔与喉管段10的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽11的流出连接圆孔与圆锥扩张段12的小端直径相同并直接连接，齿纹涡流槽11的入口连接圆孔直径d1大于出口连接圆孔直径d2。

全文数据：一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置技术领域[0001]本发明是一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，用于研究文丘里水力空化过程对污水处理的影响，属于环保设备领域。背景技术[0002]水流经变截面通道时，其速度和压强将会发生变化，而且遵循伯努利方程。当水流经截面不断变小的通道时，流速不断增大，压强随之减小，水的压强可以降低到对应温度下的饱和蒸汽压力。当水的压强低到对应温度下的饱和蒸气压力时，液态的水开始以水中溶解的不凝结气体作为气化核心，气化生成大量的空化气泡。空化气泡随水流继续流动，当压强快速回升时，空化气泡会呈现“雪崩”式溃灭，这一现象称为水力空化。研究表明，影响水力空化效率的两个关键因素是流场变化剧烈程度和气化核心数量，流场变化越剧烈，气化核心数量越多，空化效率越高。[0003]目前，水力空化在污水处理方面己经有所应用。污水流过水力空化装置，在水力空化装置的空化区域末端，空化气泡快速溃灭，生成具有高活性、高氧化性的•0H自由基，该自由基与污水中的有机物反应，完成污水处理。[0004]污水处理研究在自行设计的污水处理实验台上进行。污水处理实验台如图1所示，是一套污水循环实验系统，水泵驱动污水在实验循环系统内流动，闸阀控制流进文丘里水力空化装置的污水的流量和压力，使污水经过文丘里水力空化装置处理一定时间，通过测量污水处理前后化学需氧量C0D的变化，来确定污水处理效果。[0005]文丘里水力空化装置是一种典型的水力空化装置，由于其具有流场稳定，能耗较低等诸多优点，在污水处理中己经有所应用。但是其空化效率较低，同时还存在着空化区域周期性产生与消失的脉动现象，影响污水处理效果。研宄并设计一种特殊的文丘里水力空化装置，应用于图1所示的自行设计的污水处理实验台，研究提高文丘里水力空化装置的空化效率和消除空化区域的脉动现象对污水处理具有重要意义。发明内容[0006]针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置。该装置通过在传统文丘里水力空化装置中增加一个齿纹涡流槽，在适当增加对流场扰动的同时增加气化核心数，从而提高文丘里水力空化装置的空化效率，消除空化区域周期性产生与消失的脉动现象，使空化区域更加稳定。该装置能够获得较高的空化效率与稳定的空化区域，可以提高污水处理效果。[0007]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、齿纹涡流槽11、圆锥扩张段12及第二稳流直管段13,其特征在于:在喉管段10和圆锥扩张段12之间安装有齿纹涡流槽11。[000S]上述一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，所述第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、圆锥扩张段I2和第二稳流直管段I3的内表面光滑，所述凶纹祸流槽11的内表面攻有齿纹。[0009]上述一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽11的流入连接圆孔与喉管段1〇的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽11的流出连接圆孔与圆锥扩张段12的小端直径相同并直接连接。[0010]上述一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽H的入口连接圆孔直径di为4臟，出口连接圆孔直径cb为4•25臟;槽深度h为2mm，宽度1为2mm。[0011]上述一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽11内表面上的齿纹高度为喉部直径的140。[0012]和现有技术相比，本发明具有以下优点：[0013]1、本发明为一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，在喉管段1〇和圆锥扩张段12之间安装一个齿纹涡流槽11。齿纹涡流槽11的设计使得主流可卷吸入大量气泡作为饱和水在圆锥扩张段12内空化的气化核心，可以大幅度增加气化核心数，提高空化效率。同时气化核心数的大幅增加，使得在圆锥扩张段12内，饱和水的空化过程对不凝结气体核心的依赖减小，从而消除圆锥扩张段12内空化区域周期性脉动的现象。[0014]2、齿纹涡流槽11左侧的流入圆孔直径小于其右侧的流出圆孔直径，较多的饱和水进入齿纹涡流槽11，在齿纹涡流槽11内形成一个气液混合涡流区，同时由于槽内齿纹对涡流的扰动作用，在槽内发生饱和水空化与水蒸气再液化的复杂过程，此空化过程也会产生一定数量的•OH自由基。同时涡流还会加强主流的卷吸作用，提高主流卷吸入的气相比例，从而提尚空化效率。[0015]3、圆锥收缩段9、喉管段10和齿纹涡流槽11的通流截面积发生从逐渐收缩到稳定不变再到突然扩大的变化，通流截面积的变化使上述三段构成一个类文丘里结构；齿纹涡流槽11的后半部分与圆锥扩张段I2的通流截面积发生从稳定不变到突然收缩再到逐渐扩张的变化，通流截面积的变化使这两段也构成一个类文丘里结构。两个类文丘里结构加剧了饱和水流所受到的扰动，剧烈的扰动将提高空化效率。[W16]本发明通过在传统的文丘里水力空化装置中增加一个齿纹涡流槽丨丨的方式来提高其空化效率，消除其空化区域的脉动现象，促进文丘里水力空化装置在污水处理过程中的推广应用。附图说明[0017]图1为本发明使用的污水处理实验台示意图；[0018]图2为本发明的内部流道示意图；[0019]图3为本发明的立体剖视结构图；[0020]图4为本发明的齿纹涡流槽的内表面齿纹放大图；[0021]图5为本发明入口压力为〇.4MPa时数值模拟的气相体积分数图；[0022]图6为本发明入口压力为〇_4MPa时数值模拟的齿纹涡流槽内速度矢量图；[0023]图7为本发明从圆锥收缩段9到圆锥扩张段12通流截面积变化示意图。[0024^图中1•水箱，2•水杲，3.闸阀，4.流量计，5•第一压力表，6.文丘里水力空化装置，7•第二压力表，8•第一稳流直管段，9•圆锥收缩段，10•喉管段，i丨•齿纹涡流槽，丨2.圆锥扩张段，13.第二稳流直管段。[0025]其中图5中展示的是从圆锥收缩段9到圆锥扩张段12的气相体积分数图，标尺颜色从黑到白依次表示气相体积分数由低到高；图6中箭头方向表示速度方向，箭头长度表不速度大小，箭头越长，速度越大，箭头越密，速度梯度越大；图7横轴上数字分别代表圆锥收缩段9、喉管段10、齿纹涡流槽11和圆锥扩张段12,横轴上各段长度分别为上述各段的相对长度，纵轴表示通流截面积。具体实施方式[0026]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。[0027]如图2所示，本发明是一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段1〇、齿纹涡流槽11、圆锥扩张段12及第二稳流直管段13。[0028]如图3所示，第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段10、圆锥扩张段12和第二稳流直管段13的内表面光滑，齿纹涡流槽11的内表面有齿纹。[0029]利用FLUENT软件对本发明进行数值模拟，在入口压力为〇•3-0•8MPa范围内，出口压力为大气压的条件下，优选如图4所示的齿纹涡流槽尺寸，该尺寸空化效果最好，齿纹涡流槽11的入口连接圆孔直径di为4mm，出口连接圆孔直径d2为4.25mm;槽深度h为2臟，宽度1为2mm〇[0030]如图4所示，齿纹涡流槽11内表面上的齿纹高度为喉部直径的140。[0031]图5和图6是采用图4所示的尺寸，当入口压力为〇.4MPa，出口压力为大气压时的数值模拟结果。图5展示的是从圆锥收缩段9到圆锥扩张段12的轴向截面气相体积分数图，颜色越白，表示气相体积分数越高。图6展示的是齿纹涡流槽11内的流场速度矢量图，箭头方向表示速度方向，箭头长度表示速度大小，箭头越长，速度越大，箭头越密，速度梯度越大。[0032]上述文丘里水力空化装置的污水处理过程如下文所述。[0033]如图1所示，在水泵2的作用下，污水从水箱1流入污水处理实验系统，根据实验系统上的流量计4和第一压力表5,第二压力表7,调节闸阀3使得污水以适当的流量和压力流入文丘里水力空化装置6。[0034]如图2和图3所示，污水进入文丘里水力空化装置6后，由于第一稳流直管段8的内径保持不变，污水在第一稳流直管段8内稳定流动。继续流动进入圆锥收缩段9,如图7所示，在圆锥收缩段9内，通流截面积快速减小，从而使污水的流速不断增加，污水压力随之降低，污水压力降低至该温度对应饱和蒸汽压力时，此时污水中的水进入饱和状态。[0035]污水继续流进喉管段10,在喉管段10内，污水继续稳定流动。如图5所示，在喉管段10的前缘和靠近壁面部位有少量空化气泡产生。这是因为喉管段10内只有近壁面处污水流速较小，而中心处污水流速太高，不凝结气体核心来不及长大就随污水流出喉管段10，由于本技术在喉管段10后加入了齿纹涡流槽11，促进了气化核心的生成与发展。[0036]污水流入齿纹涡流槽11后，如图7所示，圆锥收缩段9、喉管段10和齿纹涡流槽11前半部分通流截面积的变化分别为逐渐收缩，稳定不变和突扩变大后稳定等状态，构成一个类文丘里结构，齿纹涡流槽11的前半部分相当于普通文丘里管的扩张段，使得污水中的饱和水在齿纹涡流槽11的前半部分快速空化，且流道截面积发生突变，扰动更加剧烈，空化程度相比流道截面积平缓过渡时更高，为下游圆锥扩张段12内的空化提供更多的气化核心。[0037]如图6所示，空化产生的水蒸气和饱和水在齿纹涡流槽11内形成气液混合涡流，而且在靠近槽顶的地方，速度矢量箭头较为稀疏，流速较小。由于齿纹涡流槽11内靠近槽顶的流速较小，通过采用如图4所示的方式，在齿纹涡流槽11内表面增加齿纹，齿纹增加了对涡流的扰动，使得近壁面的低速饱和水也能够空化，提高齿纹涡流槽11内气相体积分数。由于涡流的流动复杂，剧烈的扰动会使污水中的不溶解气体核心迅速长大并破裂，产生一定数量的•0H自由基。[0038]如图4所示，齿纹涡流槽11的流入连接圆孔直径cb为4mm，其流出连接圆孔直径出为4.25mm。由于流入圆孔直径小于流出圆孔直径，如图6所示，主流在齿纹涡流槽11内向前流动的同时向偏离轴线的方向扩张，更多处于饱和状态的水进入齿纹涡流槽11，使齿纹涡流槽11内的涡流更加强烈，强烈的涡流有助于主流的卷吸作用;结合图5和图6可以看出，齿纹涡流槽11内的气相被主流卷吸进入主流中，使主流中气化核心数量大幅增加。主流卷吸进大量的气泡与主流内原来的不凝结气体一起作为气化核心在圆锥扩张段12内生成更多的空化气泡。由于卷吸入的气泡量远大于原来不凝结气体的量，能够稳定地提供足够数量的气化核心。由于气化核心数量的增加，饱和状态的水在圆锥扩张段12内可以产生更多的空化气泡，从而提高文丘里水力空化装置的空化效率;而且饱和水的空化过程对不凝结气体气化核心的依赖减小，避免了空化区域周期性脉动的现象。[0039]带有大量气泡的污水从齿纹涡流槽11流入圆锥扩张段12，齿纹涡流槽11的后半部分与圆锥扩张段12又构成一个类文丘里结构，如图7所示，通流截面积在齿纹涡流槽11的流出圆孔处达到最小后又逐渐变大，圆锥扩张段12相当于普通文丘里管的扩张段，在圆锥扩张段12内发生空化气泡长大与“溃灭”现象。从图7可以看出，在圆锥扩张段12内，通流截面积呈抛物线式增加，因此在进入圆锥扩张段12初期，通流截面积变化缓慢，压力变化也较为缓慢，污水中饱和状态的水会以从齿纹涡流槽11中带来气泡为核心继续发生空化，空化气泡继续长大，在图5中呈现出气相区域进一步增大的现象;如图7所示，随着圆锥扩张段12直径继续增大，通流截面积增速不断加快，污水流速快速降低而压力急速回升，在图5中呈现出一个较窄的锋面，在锋面前截面含气率很大，而锋面后气相全部消失，说明空化泡在此锋面急剧“溃灭”消失。在空化泡溃灭时，会产生瞬时的局部高温、高压环境，这一特殊的环境，足以打开水分子中的化学键，形成高氧化性、高活性的•0H自由基，而高活性的•0H自由基会与污水中的有机污染物发生氧化反应，可将水中大多数有机污染物氧化降解成为无害物质，从而达到净化水质的目的。最后污水流入第二稳流直管段13,在此段稳流后重新流回水箱1，完成一个污水处理循环过程。污水经过文丘里水力空化装置6处理一段时间后，测量污水处理前后化学需氧量C0D的变化，来确定污水处理效果。

权利要求：1.一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段（10、齿纹涡流槽（11、圆锥扩张段（1¾及第二稳流直管段13，其特征在于:在喉管段10和圆锥扩张段12之间安装带齿纹的齿纹涡流槽11。2.根据权利要求书1所述的一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，其特征在于:所述第一稳流直管段8、圆锥收缩段9、喉管段（10、圆锥扩张段（12和第二稳流直管段13的内表面光滑，所述齿纹涡流槽11的内表面攻有齿纹。3.根据权利要求书1所述的一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，其特征在于:所述齿纹涡流槽11的流入连接圆孔与喉管段1〇的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽（11的流出连接圆孔与圆锥扩张段（12的小端直径相同并直接连接。齿纹涡流槽11的入口连接圆孔直径⑹大于出口连接圆孔直径㈤。4.根据权利要求书1所述的一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，其特征在于:在入口压力为0.3-0.8MPa范围内，出口压力为大气压的条件下，所述齿纹涡流槽11的入口连接圆孔直径di为4ram，出口连接圆孔直径㈤为4•25mm;槽深度⑹为2•5mm，宽度⑴为2.5ram。5.根据权利要求书1所述的一种应用于污水处理实验台的文丘里水力空化装置，其特征在于:所述齿纹涡流槽11的内表面上齿纹高度为喉部直径的丨40。

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