水力空化的声学特性及其应用实验研究

论文摘要

水是生命之源,适宜人类享用的水仅为地球上水资源总量的0.01%。人类的生产生活对水体造成了污染,水污染进一步蚕食着大量可供消费仅有的水资源,并危害人类的健康。世界卫生组织的调查表明,人类疾病的80%与水有关。传统的水处理方法已经不能满足新的环保要求,如何更加快速有效的降解水中污染物便成为一个严峻的问题。空化技术是一种物化水处理新技术。近年来,声空化和水力空化成为水处理研究学者关注的焦点,但超声空化仅在小容量容器内进行实验,难以进行放大和进行规模处理;流体动力式发生器结构简单,坚固耐用,处理量大,耗电量小以及它的动力源的方便,因而很适合于工业上应用。本文主要对穿孔板产生水力空化的声学特性及效用进行研究,主要内容及结论如下。(1)用水听器对空化时的噪声谱进行测量,得出不同的穿孔板产生空化时,测得的噪声谱是不同的,同一孔径的穿孔板产生的噪声谱具有一定的相似性。随着压强的增大,孔数多的穿孔板的噪声谱主峰簇向高频方向转移。单一孔的穿孔板产生的噪声谱具有大致线状谱成份,较容易产生哨声。理论上进行板的振动的计算,并用ANSYS模拟穿孔板的振动,研究其振动频率与测得的空化噪声谱之间的联系。在特定的条件下,测得的噪声谱呈现明显线状谱分布的超声成份,此时高速水流冲击穿孔板引起了穿孔板的强烈振动,发出超声。穿孔板的空化与漩涡哨的空化产生的噪声谱居有一定的相似性;当穿孔板被激发剧烈振动产生超声时,穿孔板空化产生的噪声谱与簧片哨空化产生的噪声谱及压电超声换能器产生空化时的噪声谱具有一定的相似性。(2)进行水力空化实验,研究不同的参数如时间、孔径、孔隙率、进口压强等参数对空化效果的影响,同时研究实验过程中影响空化效果的其他因素,例如泵自身在高速转动中产生的空化影响,管路阀门产生的空化影响等。结果表明:不同的穿孔板对罗丹明B的降解效果是不同的,在较低进口压强下,空化效果较好,降解率随时间的延长而增大,随进口压强的变化关系是复杂的。可产生空化区域的长度对空化的强弱具有很大的影响,长度要足够长才能产生很好的空化效果。应用中在满足压强要求的前提下,穿孔板的穿孔率应尽量大,以获得最佳的空化效果。泵、阀门空化都对空化的总效果具有影响。(3)将超声空化与水力空化进行联合,研究二者之间的相互作用效果。改变两者的发生顺序,分析发生顺序对两种空化联合效果的影响。结果发现,在本文实验条件下,超声空化与水力空化之间有很强的相互抑制作用,超声空化使得水力空化难以发生,水力空化的高压条件也使超声空化效果欠佳。(4)探讨增强空化的方法,在液体中预通入空气,看通入空气对水力空化的影响,结果表明,通入空气能够促进水力空化,但通气量有一个最佳值,通气量过大后则会抑制水力空化。研究臭氧对污水的降解作用,并将臭氧与水力空化进行联合,研究联合降解的效果,结果显示,臭氧对污染物具有很强的降解作用,臭氧通入量越高,降解率越高。水力空化可以大大提高臭氧的降解效果,从而减少臭氧的使用量。臭氧与水力空化联合作为一种不会带来二次污染的水处理方式具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与选题的意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 本文的研究工作内容与目标
• 1.4 本章小结
• 第2章 空化基础理论
• 2.1 空化现象与空化技术
• 2.1.1 空化现象及其分类
• 2.1.2 空化的产生方法
• 2.2 空化机理与特点
• 2.2.1 超声空化机理与特点
• 2.2.2 水力空化机理与特点
• 2.3 影响空化的因素
• 2.3.1 液体若干物理参数的影响
• 2.3.2 环境压力的影响
• 2.3.3 影响超声空化的参数
• 2.3.4 影响水力空化的因素
• 2.4 空化的测量方法
• 2.4.1 直接测量方法
• 2.4.2 间接测量方法
• 2.4.3 谱分析法
• 2.5 本章小结
• 第3章 空化噪声谱的测量与分析
• 3.1 仪器及其参数
• 3.1.1 本文实验装置图
• 3.1.2 本文所用主要仪器及其参数
• 3.2 用传声器测得的空气中噪声谱
• 3.3 用水听器测得的水中噪声谱
• 3.3.1 1mm孔径36个孔的穿孔板空化噪声谱
• 3.3.2 2mm孔径9个孔的穿孔板空化噪声谱
• 3.3.3 3mm孔径1个孔的穿孔板空化噪声谱
• 3.4 穿孔板振动频率的理论计算与ANSYS模拟计算
• 3.4.1 穿孔板振动频率的理论计算
• 3.4.2 穿孔板振动频率的ANSYS模拟计算
• 3.4.3 理论模拟计算频频与噪声谱频率的关系
• 3.5 穿孔板与其他空化方式产生的噪声谱比较分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 水力空化降解罗丹明B实验
• 4.1 实验方法
• 4.2 罗丹明B的初始浓度对降解率的影响
• 4.3 孔径为1mm的穿孔板降解实验
• 4.3.1 孔径为1mm孔数为9的穿孔板降解实验
• 4.3.2 孔径为1mm孔数为17的穿孔板降解实验
• 4.3.3 孔径为1mm孔数为25的穿孔板降解实验
• 4.3.4 孔径为1mm孔数为36的穿孔板降解实验
• 4.3.5 同一孔径1mm,不同穿孔率的穿孔板之间降解率比较
• 4.4 孔径为2mm孔数为9的穿孔板降解实验
• 4.5 孔径为3mm孔数为1的穿孔板降解实验
• 4.6 同一穿孔率,不同孔径的板之间降解率比较
• 4.6.1 1mm孔径9个孔与3mm孔径1个孔的穿孔板对比
• 4.6.2 1mm孔径36个孔与2mm孔径9个孔的穿孔板对比
• 4.7 空化数对降解率的影响
• 4.8 阀门空化实验
• 4.9 本章小结
• 第5章 超声、水力空化联合降解罗丹明B实验
• 5.1 超声降解罗丹明B实验
• 5.2 穿孔板与超声联合降解实验
• 5.2.1 降解率随穿孔板进口压强的变化关系
• 5.2.2 降解率随超声功率的变化关系
• 5.3 换能器与穿孔板的位置变化对降解率的影响
• 5.3.1 换能器在穿孔板上游40cm处
• 5.3.2 换能器在穿孔板下游40cm处
• 5.3.3 换能器在穿孔板下游5cm处
• 5.4 阀门空化与超声联合降解实验
• 5.4.1 降解率随超声功率的变化关系
• 5.4.2 降解率随阀门进口压强的变化关系
• 5.5 本章小结
• 第6章 水力空化、臭氧联合降解实验
• 6.1 臭氧降解实验
• 6.2 孔径为1mm的穿孔板与臭氧联合降解实验
• 6.2.1 降解率随臭氧流量的变化关系
• 6.2.2 降解率随穿孔板进口压强的变化关系
• 6.3 孔径为2mm的穿孔板与臭氧联合降解实验
• 6.3.1 臭氧、水力空化降解实验
• 6.3.2 降解率随臭氧流量的变化关系
• 6.3.3 降解率随穿孔板进口压强的变化关系
• 6.4 水力空化、臭氧联合降解其它染料
• 6.4.1 水力空化、臭氧联合降解酸性品红
• 6.4.2 水力空化、臭氧联合降解甲基橙
• 6.4.3 水力空化、臭氧联合降解亚甲基蓝
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果