CN103223311A

CN103223311A - 湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管

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Publication number: CN103223311A
Application number: CN2013101804104A
Authority: CN
Inventors: 张宗权; 苗润才; 吴俊林; 杨宗立; 鲁百佐; 刘志存; 王文成
Original assignee: Shaanxi Normal University
Current assignee: Shaanxi Normal University
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: CN103223311B

Abstract

一种湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，在壳体内的左侧设置有左支架、右侧设置有右支架，湍流棒的左端设置在左支架上、右端设置在右支架上，湍流棒与壳体内壁之间的间隙为水流通道，湍流棒与壳体内壁之间构成环绕整湍流棒的至少2级串联的文丘里管，湍流棒的直径最大处与壳体内壁之间形成文丘里管的喉部。这种结构的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，结构简单，安装方便，处理过程中没有死角，有效强化了水力空化过程中的瞬态空化，污水处理效率高，解决了传统文丘里管水力空化存在空化强度较小、声化学反应的效率低等技术问题，可用于污水处理。

Description

湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管

技术领域

本发明属于用于强化化学反应过程的水力空化技术领域，具体涉及一种具有湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管。

背景技术

大量研究表明，水力空化对化学反应过程具有明显的强化作用，从能效和规模化方面与超声空化相比，具有简便易行、能耗低、效率高、空化区域大，可用于大流量介质的处理等优点。但水力空化存在空化强度较小，用于声化学反应的效率仍然较低等问题。针对这一问题，目前相关专业领域的技术人员从基础到应用进行了系统研究，并取得了许多有意义的结果。研究表明，超声或水力空化对化学过程的强化作用，主要取决于空化自由基的产量，而空化自由基的产量决定于瞬态空化的强度。中国《科学通报》2010.10期“湍流作用下可压缩液体中空化泡的动力学特性”一文报道，湍流作用与液体的可压缩性对空化泡运动有非常重要的影响，湍流作用使得空化泡运动呈现出明显的瞬态空化特征，湍流强度越强，空化强度越高。显然将湍流效应用于强化水力空化过程中的瞬态空化，是解决水力空化存在空化强度较小、声化学反应的效率低等问题的可行途径。

文丘里管是目前用于产生水力空化效应的主要构件之一，但传统的文丘里管产生水力空化的空化强度较小，特别是瞬态空化特征较弱，用于化学反应过程的强化作用有限。如何强化文丘里管的瞬态空化强度，是相关基础研究与工程技术领域一个重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术存在的缺点，提供一种结构简单、制造加工容易并利用湍流能强的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体内的左侧设置有左支架、右侧设置有右支架，湍流棒的左端设置在左支架上、右端设置在右支架上，湍流棒与壳体内壁之间的间隙为水流通道，湍流棒与壳体内壁之间构成环绕整湍流棒的至少2级串联的文丘里管，湍流棒的直径最大处与壳体内壁之间形成文丘里管的喉部。

本发明的湍流棒至少包括两个湍流单元，一个湍流单元与相邻一个湍流单元通过锯齿圆柱体连为一体，左侧的湍流单元的左端和右侧的湍流单元的右端连为一体有端部圆柱体。

本发明的湍流单元为：在第零阶圆柱体的轴向两侧面有对称地连为一体的位于同一条轴线上直径均布递减的2～4个圆柱体。

本发明的湍流单元为：在第零阶圆柱体的轴向两侧面有对称地连为一体的位于同一条轴线上、直径均布最佳递减的3个圆柱体。

本发明的位于同一条轴线上直径均布递减的相邻圆柱体的直径差为：

ΔD=(D1－D2)/(n+1)

式中ΔD为相邻圆柱体的直径差，D1为第零阶圆柱体的直径，D2为端部圆柱体直径或锯齿圆柱体的齿尖直径，n为第零阶圆柱体与左侧的端部圆柱体之间圆柱体的个数；每个圆柱体的轴向长度为D/2，D为壳体的内径。

本发明的第零阶圆柱体的直径D1为3D/4，端部圆柱体直径D2为3D/16、轴向长度为D/2，锯齿圆柱体的齿尖直径与端部圆柱体直径D2相同、轴向长度相同。

本发明的锯齿圆柱体的齿高为D/20、齿尖角为90°。

本发明的左支架为：在轮毂的径向至少均布设置有3根辐板。本发明的右支架的结构与左支架相同，湍流棒的左端设置在左支架的轮毂1的中心孔内、右端设置在右支架的轮毂的中心孔内。

本发明的有益效果：

本发明通过在壳体内设置轴对称的湍流棒，在湍流棒与壳体内壁之间构成环绕湍流棒的轴对称的文丘里管道。所产生的有益效果在于：其一，这种新型的文丘里管，与传统的将不同内径的管道通过变径管焊接相连构成的文丘里管相比，只要改变湍流棒直径变化的特征和参数，就可构成不同变径比的文丘里管，因此结构简单、加工容易；其次，由于这种文新型的丘里管没有连接焊缝，因此其耐压能力高，更适合作为工作于高压工况、用于污水净化的处理；其三，直径呈周期性变化的湍流棒与壳体内壁之间构成的多级串联式文丘里管道，用于污水处理与目前的广泛研究的多级孔板构成的串联式水力空化污水处理器相比，安装方便，处理过程中没有死角，污水处理效率高；其四，高速水流与湍流棒迎水面、背水面上的圆柱体以及锯齿圆柱体上的锯齿形发生撞击时，在水流中同时产生剧烈的湍流效应，这种湍流效应作用于文丘里管产生的水力空化泡上，使得空化泡运动呈现出明显的瞬态空化特征，从而有效强化了水力空化过程中的瞬态空化，解决了传统文丘里管水力空化存在空化强度较小、声化学反应的效率低等问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中左支架2的结构示意图。

图3是图1中湍流棒3的结构示意图。

图4是本发明实施例1的湍流单元3－1的结构示意图。

图5是本发明实施例3的湍流单元3－1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3中，本实施例的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管由壳体1、左支架2、湍流棒3、右支架4联接构成。

本实施例的壳体1为圆筒形，壳体1的两端有连为一体的法兰盘，用于与水管道联接，在与水管道相联通时，水管道的内径应与壳体1的内径相同，在壳体1内的左侧用螺纹紧固连接件固定联接有左支架2，壳体1内的右侧用螺纹紧固联连接件固定联接有右支架4，湍流棒3的左端通过螺纹固定联接在左支架2上，湍流棒3的右端通过螺纹联接在右支架4上，湍流棒3的中心线与壳体1的中心线相重合，湍流棒3与壳体1内壁之间的间隙为水流通道，湍流棒3的直径最大处与壳体1内壁之间形成文丘里管的喉部，湍流棒3与壳体1内壁之间构成环绕湍流棒3的2级串联的文丘里管。

图2给出了本实施例左支架2的结构示意图。在图2中，本实施例的左支架2由轮毂2-1、辐板2-2联接构成。轮毂2-1的中心位置加工有中心孔，中心孔用于安装湍流棒3，在轮毂2-1的圆周外表面径向均布焊接联接有12块辐板2-2。右支架4的结构与左支架2的结构完全相同。

图3是图1中湍流棒3的结构示意图。在图3中，本实施例的湍流棒3由2个湍流单元3－1、锯齿圆柱体3－2、2个端部圆柱体3－3连为一体构成。在左侧的湍流单元3－1的左端有连为一体的端部圆柱体3－3，右侧的湍流单元3－1的右端有连为一体的端部圆柱体3－3，端部圆柱体3－3直径D2为3D/16、轴向长度为D/2，D为壳体1的内径，左侧的湍流单元3－1右端与右侧的湍流单元3－1的左端之间有连为一体的锯齿圆柱体3－2。锯齿圆柱体3－2齿尖直径与端部圆柱体3－3直径D2相同、轴向长度相同，锯齿圆柱体3-2的齿高为D/20、齿尖角为90°。

图4给出了本实施例的湍流单元3－1的结构示意图。在图3、4中，本实施例的湍流单元3－1由第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4连为一体构成。第零阶圆柱体3-1.1的左右两侧各有对称、连为一体的第一阶圆柱体3-1.2，第一阶圆柱体3-1.2的轴向外侧各有对称、连为一体的第二阶圆柱体3-1.3，第二阶圆柱体3-1.3的轴向外侧各有对称、连为一体的第三阶圆柱体3-1.4，第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4的轴线相重合，第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4的轴向长度为D/2，D为壳体1的内径。左侧的第三阶圆柱体3-1.4与左端的端部圆柱体3－3连为一体，右侧的第三阶圆柱体3-1.4与锯齿圆柱体3-2连为一体。本实施例的第零阶圆柱体3-1.1的直径D1为3D/4，相邻圆柱体的直径差按下式计算：

ΔD=(D1－D2)/(n+1) （1）

式中ΔD为相邻圆柱体的直径差，D1为第零阶圆柱体3-1.1的直径，D2为端部圆柱体3－3的直径或锯齿圆柱体3－2的齿尖直径，n为第零阶圆柱体3-1.1与左侧的端部圆柱体3－3之间圆柱体的个数。按式（1）计算得，第一阶圆柱体3-1.2的直径为39D/64，第二阶圆柱体3-1.3的直径为30D/64，第三阶圆柱体3-1.4的直径为21D/64。

右侧的湍流单元3－1的结构与左侧的湍流单元3－1的结构完全相同，所不同的是右侧的湍流单元3－1的右端的第三阶圆柱体3-1.4与右侧的端部圆柱体3－3连为一体，左侧的第三阶圆柱体3-1.4与锯齿圆柱体3－2连为一体。

实施例2

本实施例的湍流棒3由2个湍流单元3－1、锯齿圆柱体3－2、2个端部圆柱体3－3连为一体构成。湍流单元3－1由第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3连为一体构成。第零阶圆柱体3-1.1的左右两侧各有对称、连为一体的第一阶圆柱体3-1.2，第一阶圆柱体3-1.2的轴向外侧各有对称、连为一体的第二阶圆柱体3-1.3，第零阶柱体的轴向长度为D/2，D为壳体1的内径。左侧的第二阶圆柱体3-1.3与左侧的端部圆柱体3－3连为一体，右侧的第二阶圆柱体3-1.3与锯齿圆柱体3－2连为一体。本实施例的第零阶圆柱体3-1.1的直径D1为3D/4，按式（1）计算得第一阶圆柱体3-1.2的直径为9D/16，第二阶圆柱体3-1.3的直径为3D/8。

右侧的湍流单元3－1的结构与左侧的湍流单元3－1的结构完全相同，所不同的是右侧的湍流单元3－3的右侧的第二阶圆柱体3-1.3与右侧的端部圆柱体3－3连为一体，左侧的第二阶圆柱体3-1.3与锯齿圆柱体3－2连为一体。

湍流棒3的其他零部件以及零部件的几何参数与实施例1相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的湍流棒3由2个湍流单元3－1、锯齿圆柱体3－2、2个端部圆柱体3－3连为一体构成。在图5中，左侧的湍流单元3－1由第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4、第四阶圆柱体3-1.5连为一体构成。第零阶圆柱体3-1.1的左右两侧各有对称、连为一体有第一阶圆柱体3-1.2，第一阶圆柱体3-1.2的轴向外侧各有对称、连为一体有第二阶圆柱体3-1.3，第二阶圆柱体3-1.3的轴向外侧各有对称、连为一体有第三阶圆柱体3-1.4，第三阶圆柱体3-1.4的轴向外侧各有对称、连为一体有第四阶圆柱体3-1.5，第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4、第四阶圆柱体3-1.5的轴线相重合，第零阶圆柱体3-1.1、第一阶圆柱体3-1.2、第二阶圆柱体3-1.3、第三阶圆柱体3-1.4、第四阶圆柱体3-1.5的轴向长度为D/2，D为壳体1的内径。左侧的第四阶圆柱体3-1.5与左侧的端部圆柱体3－3连为一体，右侧的第四阶圆柱体3-1.5与锯齿圆柱体3－2连为一体。本实施例的第零阶圆柱体3-1.1的直径D1为3D/4，按式（1）计算得第一阶圆柱体3-1.2的直径为51D/80，第二阶圆柱体3-1.3的直径为21D/40，第三阶圆柱体3-1.4的直径为33D/80，第四阶圆柱体3-1.5的直径为3D/10。

右侧的湍流单元3－1的结构与左侧的湍流单元3－1的结构完全相同，所不同的是右侧的湍流单元3－1的右侧的第四阶圆柱体3-1.5与右侧的端部圆柱体3－3连为一体，左侧的第四阶圆柱体3-1.5与锯齿圆柱体3－2连为一体。

实施例4

在以上实施例1～3中，湍流棒3由4个湍流单元3－1、3个锯齿圆柱体3－2、2个端部圆柱体3－3连为一体构成。一个湍流单元3－1与相邻一个湍流单元3－1通过锯齿圆柱体3－2连为一体，左侧的湍流单元3－1的左端和右侧的端湍流单元3－1的右端连为一体有端部圆柱体3－3。

也可根据污水处理具体要求具体确定湍流单元3-1的具体个数，即两端的湍流单元3－1外端有连为一体的端部圆柱体3－3，其余湍流单元3－1之间以及与端部湍流单元3－1之间通过锯齿圆柱体3－2连为一体，构成具体结构的湍流棒3。

湍流棒3的其他零部件以及零部件的几何参数与相应的实施例相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～4中，左支架2由轮毂2-1、辐板2-2联接构成。轮毂2-1的中心位置加工有中心孔，中心孔用于安装湍流棒3，在轮毂2-1的圆周外表面径向均布焊接联接有3块辐板2-2。右支架4的结构与左支架2的结构完全相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

进入本发明的高速、高压水流除了产生传统的文丘里管所产生的水力空化作用外，当高速、高压水流与湍流棒3上迎水面、背水面上的各阶圆柱体以及锯齿圆柱体3－2上锯齿形发生撞击时，在水流中同时产生剧烈的湍流效应，这种湍流效应作用于文丘里管产生的水力空化泡上，使得空化泡运动呈现出明显的瞬态空化特征，从而有效强化了水力空化过程中的瞬态空化，解决了传统文丘里管水力空化存在空化强度较小、声化学反应的效率低等问题。

Claims

1.一种湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于：在壳体（1）内的左侧设置有左支架（2）、右侧设置有右支架（4），湍流棒（3）的左端设置在左支架（2）上、右端设置在右支架（4）上，湍流棒（3）与壳体（1）内壁之间的间隙为水流通道，湍流棒（3）与壳体（1）内壁之间构成环绕整湍流棒（3）的至少2级串联的文丘里管，湍流棒（3）的直径最大处与壳体（1）内壁之间形成文丘里管的喉部。

2.根据权利要求1所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于：所述的湍流棒（3）至少包括两个湍流单元（3-1），一个湍流单元（3-1）与相邻一个湍流单元（3-1）通过锯齿圆柱体（3-2）连为一体，左侧的湍流单元（3-1）的左端和右侧的湍流单元（3-1）的右端连为一体有端部圆柱体（3－3）。

3.根据权利要求2所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于所述的湍流单元（3－1）为：在第零阶圆柱体（3-1.1）的轴向两侧面有对称地连为一体的位于同一条轴线上直径均布递减的2～4个圆柱体。

4.根据权利要求2所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于所述的湍流单元（3-1）为：在第零阶圆柱体（3-1.1）的轴向两侧面有对称地连为一体的位于同一条轴线上、直径均布递减的3个圆柱体。

5.根据权利要求3或4所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于所述的位于同一条轴线上直径均布递减的相邻圆柱体的直径差为：

ΔD=(D1－D2)/(n+1)

式中ΔD为相邻圆柱体的直径差，（D1）为第零阶圆柱体（3-1.1）的直径，（D2）为端部圆柱体（3－3）直径或锯齿圆柱体（3-2）的齿尖直径，n为第零阶圆柱体（3-1.1）与左侧的端部圆柱体（3－3）之间圆柱体的个数；每个圆柱体的轴向长度为D/2，（D）为壳体（1）的内径。

6.根据权利要求5所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于所述的第零阶圆柱体（3-1.1）的直径（D1）为3D/4，端部圆柱体（3－3）直径（D2）为3D/16、轴向长度为D/2，锯齿圆柱体（3-2）的齿尖直径与端部圆柱体（3－3）直径（D2）相同、轴向长度相同。

7.根据权利要求2或5或6所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于：所述的锯齿圆柱体（3-2）的齿高为D/20、齿尖角为90°。

8.根据权利要求5所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于：所述的锯齿圆柱体（3-2）的齿高为D/20、齿尖角为90°。

9.根据权利要求1所述的湍流能强化水力瞬态空化的文丘里管，其特征在于所述的左支架（2）为：在轮毂（2-1）的径向至少均布设置有3根辐板（2-2）；所述的右支架（4）的结构与左支架（2）相同，湍流棒（3）的左端设置在左支架（2）的轮毂（2-1）的中心孔内、右端设置在右支架（4）的轮毂（2-1）的中心孔内。