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文丘里管的模拟优化及其实验研究

作　者: 庄水田
导　师: 吴胜举
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 水力空化文丘里管数值模拟汽含率分布表面响应法噪声谱
分类号: O427.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

人类离不开水,水是联系生物体营养过程和代谢过程的纽带,是维持生命的源泉,没有水就没有生命万物。然而近年来,随着工业经济的迅速发展,各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体,对地表水源造成了极大危害。目前,传统的水处理方法已经不能满足要求,水力空化则是一种新型的物化水处理技术,近年来已成为国内外研究学者关注的焦点。常见的流体动力式空化发生器有穿孔板和文丘里管,它结构简单,坚固耐用,处理量大,耗电量小,很适合在工业上应用,已显示出了自己独特的优点和巨大生命力。本文主要围绕文丘里管采用数值模拟和表面响应法优化其结构参数,并通过水力空化实验检验空化器结构参数的合理性,最后讨论了水力空化噪声谱,具体内容及结论如下:(1)进行数值模拟和优化。采用计算流体软件FLUENT对文丘里管不同入口锥角、出口锥角和喉部直径进行了单因素数值模拟实验,得到喉部出口拐角处的汽含率、压力、流速分布情况,从数值模拟实验结果可以看出,当出口拐角处出现最大汽含率时文丘里管就存在一个最佳的入口锥角、出口锥角和喉部直径。在数值模拟基础上利用表面响应法得到最佳空化器结构参数和喉部最大汽含率,依据此结构参数进行数值模拟实验验证,结果表明计算机模拟实验得出的结果与响应面分析结果的相对误差＜5%。(2)进行水力空化实验。通过前面模拟计算得出的结构参数加工七个文丘里管,研究不同文丘里管在不同操作条件下对罗丹明-B进行降解实验,通过实验直接对前面模拟计算的结果进行验证。结果表明:文丘里管结构参数对水力空化强度影响非常大。在相同的进口压力下,优化后的文丘里管相对其它文丘里管的空化效果是最好的;在入口锥角、出口锥角和喉部直径其中两个因素确定的情况下,优化后的文丘里管相对其它文丘里管的空化效果是最好的。(3)对空化噪声谱进行分析。关于文丘里管水力空化噪声的研究到目前为止国内外还未曾见报道,根据现有理论知,水力空化产生的噪声谱是随机的、不确定的,为了能定性、直观反映水力空化强度,实验室用水听器和数字示波器在实时采集模式下采集噪声信号并作出PSD图,分析不同文丘里管在不同操作条件下的声学特性和水力空化的强弱。由功率谱图看出,同一个文丘里管在不同的操作压力下功率谱型非常相似,1000Hz以内出现的峰族开始向高频转移,1000Hz到2000Hz之间近似白噪声分布,功率谱级有所提高。优化后的文丘里管与同类其它两个文丘里管相比,总是能看出其功率谱级是比较高的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-14
  1.1 研究背景和选题意义  9-10
  1.2 国内外研究进展  10-12
  1.3 本文的研究工作内容和目标  12-14
第2章水力空化基础理论  14-21
  2.1 水力空化机理  14-15
  2.2 水力空化的化学效应  15-16
    2.2.1 直接热解  15
    2.2.2 自由基氧化  15-16
    2.2.3 超临界水氧化  16
  2.3 影响水力空化的因素  16-19
    2.3.1 媒质的粘滞性  16
    2.3.2 射流空化数  16-17
    2.3.3 液体中的气体含量  17-18
    2.3.4 环境压力的影响  18
    2.3.5 边壁表面条件  18
    2.3.6 压力梯度  18
    2.3.7 含固体杂质量  18-19
  2.4 几种常见的反映水力空化强弱的测量方法  19-20
    2.4.1 水听器法  19
    2.4.2 热敏探头法  19
    2.4.3 光纤探测法  19
    2.4.4 谱分析法  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第3章文丘里管的数值模拟  21-33
  3.1 数值模拟基础知识  21-28
    3.1.1 什么是计算流体动力学  21
    3.1.2 计算流体动力学的常见数值解法  21-22
    3.1.3 流体动力学控制方程  22-23
    3.1.4 湍流模型的选择  23-25
    3.1.5 CFD的求解过程  25-27
    3.1.6 FLUENT软件的介绍  27-28
  3.2 汽含率表征空化强度  28
  3.3 FLUENT数值模拟文丘里管  28-31
    3.3.1 模型建立和网格划分  28-29
    3.3.2 喉部直径对空化流场的影响  29-30
    3.3.3 入口锥角对空化流场的影响  30-31
    3.3.4 出口锥角对空化流场的影响  31
  3.4 本章小结  31-33
第4章响应面法对文丘里管结构参数的优化  33-40
  4.1 响应面法基础知识  33-35
    4.1.1 响应面法  33
    4.1.2 RSM的4个步骤  33-34
    4.1.3 RSM图形的分析  34
    4.1.4 RSM应注意的问题  34
    4.1.5 RSM的优缺点  34-35
  4.2 响应面法优化文丘里管结构参数  35-38
    4.2.1 因素和水平的确定  35-36
    4.2.2 回归方程的建立和方差分析  36-37
    4.2.3 响应面分析  37-38
  4.3 数值模拟实验验证  38
  4.4 本章小结  38-40
第5章水力空化降解罗丹明B的实验  40-48
  5.1 实验装置  40-43
  5.2 实验方法  43
  5.3 七个文丘里管在同一进口压力不同时间下的降解实验  43-44
  5.4 三组文丘里管在不同进口压力下的降解实验  44-47
  5.5 本章小结  47-48
第6章水力空化噪声的实验研究  48-58
  6.1 关于水力空化噪声的研究  48
  6.2 用传声器测量空气中的噪声谱  48-50
  6.3 水力空化噪声的识别  50-51
  6.4 用水听器测量水中的噪声谱  51-57
    6.4.1 管5的空化噪声谱  52-53
    6.4.2 管1、管2、管3的空化噪声谱  53-55
    6.4.3 管1、管4、管5的空化噪声谱  55-56
    6.4.4 管1、管6、管7的空化噪声谱  56-57
  6.5 本章小结  57-58
总结  58-59
参考文献  59-62
致谢  62-63
攻读学位期间的研究成果  63

文丘里管的模拟优化及其实验研究

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