【摘 要】
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目前,水污染已成为一个严重的环境问题,水力空化作为一种不会产生任何消毒副产物的绿色高效水处理技术受到广泛关注。针对传统水力空化反应器均存在空化效率低、通量低、难以大规模工业应用的缺点。本文提出一种先进转子-径隙式水力空化反应器,对其开展结构设计和空化特性研究,分析内部非定常瞬态流场特性;基于流场特性分析空化气泡演变特征、噪声和压力脉动特性,优化设计反应器内部结构尺寸,获得最佳空化性能下的反应器瞬态
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目前,水污染已成为一个严重的环境问题,水力空化作为一种不会产生任何消毒副产物的绿色高效水处理技术受到广泛关注。针对传统水力空化反应器均存在空化效率低、通量低、难以大规模工业应用的缺点。本文提出一种先进转子-径隙式水力空化反应器,对其开展结构设计和空化特性研究,分析内部非定常瞬态流场特性;基于流场特性分析空化气泡演变特征、噪声和压力脉动特性,优化设计反应器内部结构尺寸,获得最佳空化性能下的反应器瞬态工况;利用消毒特性实验评估空化和消毒性能;最终,实现一种先进转子-径隙式水力空化反应器的设计和应用,为水力空化消毒的应用研究以及旋转式水力空化反应器的理论发展提供有力支撑。本文的主要研究内容及结论包括以下几个方面:（1）转子-径隙式水力空化反应器的空化特性研究。设计一种先进转子-径隙式水力空化反应器,研究了不同瞬态工况下反应器结构特性对空化性能的影响;基于瞬态数值模拟结果,获得反应器内部速度矢量、压力脉动、湍动能及脉动速率、流型的时空演化规律;结合空化机理中涡空化、剪切空化、梢涡空化的空化初生形式,研究反应器内各水力结构对于空化特性的影响,基于不同评价角度表征水力空化强度,确立其最佳空化性能。研究结果表明,在转子区域,空化初始时,空化初生于叶片的进口,空化稳定时,空化分别沿入口圆周方向、出口角方向和压力面方向进行周期性发展,进而达到动态平衡;反应器空化发生单元的空化特性呈现周期性（0.46 ms）,主要空化区域为流出和流入分离区,圆柱形空化发生单元的空化性能远低于矩形空化发生单元。（2）转子-径隙式水力空化反应器的压力和噪声脉动特性研究。研究不同瞬态工况下反应器压力、噪声脉动特性,揭示空化脉动的演化规律,进一步优化其结构尺寸,实现空化脉动特性与反应器结构的反向优化。研究结果表明,反应器压力脉动与空化强度呈现紧密的相关性,空化发展导致反应器压力脉动叶频峰值升高,压力脉动的叶频峰值呈现上升～稳定～下降的周期性演化;空化是影响反应器叶频及其多阶谐频噪声的重要因素,沿流动方向,反应器叶频幅值随着空化的发展而增加,呈现升高～稳定～降低的周期性变化。（3）转子-径隙式水力空化反应器的消毒特性研究。基于转子-径隙式水力空化反应器消毒特性实验系统,针对多工况下的反应器消毒特性进行研究,以反应器流场内外特性作为评价指标,包括消毒率、能量效率等。研究结果表明,3900 rpm和2 m3/h下,15 L模拟出水在20 min内可获得93.3%的大肠杆菌消毒率;随着流量的增加,反应器的消毒性能提高,这种消毒性能的提高主要基于空化效应和空泡溃灭区细菌的暴露时间。
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