CN108101149A - 锯齿状涡流场声混沌空化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锯齿状涡流场声混沌空化装置，属于液态流混沌反应器技术领域，在反应器内包括锯齿状涡流场管，该锯齿状涡流场管的出水端包括内外套接的内层管和外层管，沿着水流方向，内层管或/和外层管的管口均加工为锯齿形结构，使出水在管口处形成涡流空化混沌场；使超声换能器产生的声波在该液体中传播会产生各个方向的散射和折射，会在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，大大提高声空化降解有机污染物的效率。

Description

锯齿状涡流场声混沌空化装置

技术领域

本发明属于液态流混沌反应器技术领域，尤其涉及一种利用水力涡流场和声场混沌降解处理有机污染物废水的锯齿状涡流场声混沌空化装置。

技术背景

据联合国调查，我国是世界上十三个贫水国之一，目前，全国年用水总量近6200亿立方米，正常年份缺水500多亿立方米，随着经济社会发展和全球气候变化影响加剧，水资源供需矛盾将更加尖锐,一方面许多水资源无法再利用，加重了水资源的匮乏程度，另一方面环境的可持续利用和经济的可持续发展严重被影响。因此，解决水环境污染的危害与防治具有十分重要的现实意义。

随着现代工业的发展,工业废水已成为水体污染的主要来源。尽管水处理技术取得长足进步,尤其是微生物处理技术的发展,已广泛应用于水处理的各个领域,然而工业废水中大量复杂持久性难降解有机污染物仅靠生物处理很难完全降解,为此各种处理技术手段应运而生。

物理方法进行水处理，由于不产生二次污染，被称为“绿色水处理”，受到了广泛的关注。其中的空化法，因可以廉价简易地集高温、高压、机械剪切和破碎为一体，为物理方法进行有机污染物降解和水体净化处理创造了特殊的形式，声空化法就是其中的代表。

声空化法就是液体中的微气泡在声波作用下经过膨胀，压缩及崩溃产生高活性的自由基，这些自由基尤其是羟基自由基不加选择地氧化有机污染物，达到降解的目的。但声波在液体中传播容易产生驻波，驻波声场的存在会在液体中形成盲区，如何最大程度地减少或消除驻波,以形成均匀、稳定的声场分布是提高处理效率的关键。

发明内容

为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能够使水流形成涡流的锯齿状涡流场管。

同时本发明还提供了利用上述锯齿状涡流场管的锯齿状涡流场声混沌空化装置，使声波在涡流场中传播产生各个方向的散射和折射，在液体中形成较为均匀、稳定的声场分布，进而可大大提高声空化降解有机污染物的效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种锯齿状涡流场管，该锯齿状涡流场管的出水端包括内外套接的内层管和外层管，沿着水流方向，外层管管口距内层管管口的水平距离为15～25mm，内层管或/和外层管的管口均加工为锯齿形结构，使出水在管口处形成涡流空化混沌场；锯齿的展开顶角为60～120°；在锯齿状涡流场管的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，锯齿形管口的线性曲线为：

y＝±k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577～1.732；a为齿间距，取值为20～25mm；n为锯齿的个数；当x＝a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

本发明还提供一种锯齿状涡流场声混沌空化装置，包括反应器，在反应器的底部开设有进水口、上部侧壁开设有出水口，在进水口上安装有权利要求1所述的锯齿状涡流场管，锯齿状涡流场管的出水方向与反应器的轴线平行，在反应器的侧壁自上而下分布多个超声换能器，超声换能器产生的声场与锯齿状涡流场管产生的锯齿状涡流场联合形成混沌流场。

进一步限定，所述锯齿状涡流场管是多个，均匀分布在反应器的底部。

进一步限定，一个锯齿状涡流场管与相邻一个锯齿状涡流场管之间的间距不小于25mm。

进一步限定，所述超声换能器在反应器的侧壁上沿着周向均匀分布。

进一步限定，上下相邻超声换能器之间的间距至少为50mm。

本发明提供的锯齿状涡流场声混沌空化装置，水流经过锯齿状涡流场管3的锯齿形出口后形成锯齿状涡流场，当液体中产生涡流时，会成液体密度的不均匀性，使超声换能器2产生的声波在该液体中传播会产生各个方向的散射和折射，会在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，进而由锯齿状涡流加速其扩算速度，增强声空化效果，因此超声换能器2产生的声场与锯齿状涡流场管3产生的水力涡流场联合形成混沌流场，可大大提高声空化降解有机污染物的效率。

附图说明

图1为锯齿状涡流场声混沌空化装置结构示意图。

图2为图1中锯齿状涡流场管3的结构示意图。

图3为图2的锯齿状涡流场管3所产生的涡流场图。

图4为实施例2的锯齿状涡流场管3的结构示意图。

图5为实施例3的锯齿状涡流场管3的结构示意图。

图6为平面波声场图。

图7为涡流场中声传播图。

图8为涡流场中声传播指向性分析图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的锯齿状涡流场声混沌空化装置是由反应器1、锯齿状涡流场管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有多个进水口，在进水口上安装有锯齿状涡流场管3，锯齿状涡流场管3的出水方向与反应器的轴线平行，通过锯齿状涡流场管3与水泵连通，向反应器1内供水。一个锯齿状涡流场管3与相邻一个锯齿状涡流场管3的间距是25mm，还可以更大，视反应器1大小确定齿状涡流场管3的个数。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，并且超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的间距是50mm，每一层上安装两个，且分布在同一层的超声换能器2沿着反应器1周向均匀分布，即两两相对设置，使反应器1内声波的出射方向与水流的出射方向向垂直，随着自下而上的涡流扩散对声波进行折射和散射，使其分布均匀。

进一步说明，参见图2，本实施例的锯齿状涡流场管3的出水端包括内外套接的内层管31、外层管32，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为15mm，呈阶梯状，内层管31管口和外层管32管口均加工有锯齿形结构，锯齿的展开顶角为60°。

以锯齿状涡流场管3的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，内层的锯齿形管口的线性曲线为：

y＝k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577；a为齿间距，取值为20mm，n为锯齿的个数；当x为a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

外层的锯齿形管口的线性曲线为：

y＝k(x-na)

其中：k为斜率，取值为1.732；a为齿间距，取值为20mm，n为锯齿的个数。当x为a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

对于锯齿状管口的结构设计，为了使管口出水能够形成锯齿状涡流，对于锯齿的高度和斜率要求相对严格，在上述参数范围内可适当调整，若高度过高或者过低都不能形成很好的适于声波扩散的涡流。

水流从多个锯齿状涡流场管3的锯齿形管口流出，内、外层管32形成重叠的锯齿状涡流，如图3所示，在反应器1内形成自下向上流动，而超声换能器2产生的声波随着锯齿形涡流扩散而向各个方向发生散射和折射，进而在液体中形成均匀、稳定的声场分布，有效避免形成驻波，进而提高声空化降解有机污染物的效率。

实施例2

本实施例的锯齿状涡流场声混沌空化装置是由反应器1、锯齿状涡流场管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有进水口，在进水口上安装有锯齿状涡流场管3。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，并且超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的间距是70mm，每一层上安装有4个，且分布在同一层的4个超声换能器2在同一圆周上均匀分布，两两相对。

进一步说明，本实施例的锯齿状涡流场管3的出水端包括内外套接的内层管31、外层管32，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为20mm，呈阶梯状，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为锯齿形结构，如图4所示，锯齿的顶角为120°；

以展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，外层管32锯齿形管口的线性曲线为：

y＝-k(x-na)

其中：k为斜率，取值为1.732；a为齿间距，取值为22mm；n为锯齿的个数；当x为a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

水流从多个锯齿状涡流场管3的锯齿形管口流出，在反应器1内形成自下向上的涡流，而超声换能器2产生的声波随着锯齿形涡流扩散而向各个方向发生散射和折射，进而在液体中形成均匀、稳定的声场分布。

实施例3

本实施例的锯齿状涡流场声混沌空化装置是由反应器1、锯齿状涡流场管3、超声换能器2组成，反应器1是个顶部敞口的圆筒结构，在其上部侧壁上加工有出水口，在反应器1的底部加工有进水口，在进水口上安装有锯齿状涡流场管3。超声换能器2安装在反应器1的侧壁上，并且超声换能器2是自上而下分布多层，上下层的相邻超声换能器2之间的间距是55mm，每一层上安装有4个，且分布在同一层的4个超声换能器2在同一圆周上均匀分布，两两相对。

进一步说明，本实施例的锯齿状涡流场管3的出水端包括内外套接的内层管31、外层管32，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为25mm，呈阶梯状，外层管32管口为平齐的圆形管口，内层管31管口加工为锯齿形结构，如图5所示，锯齿的顶角为90°；

以展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，外层管32锯齿形管口的线性曲线为：

y＝k(x-na)

其中：k为斜率，取值为1.2；a为齿间距，取值为25mm；n为锯齿的个数。当x为a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

为了验证本发明的声波能够随着锯齿形涡流扩散而形成均匀、稳定的声场，发明人通过多功能场(comsol)软件对涡流场中声传播进行模拟，并对其声场的指向性进行分析，结果如图6和7所示，将其与平面波声场(图8)进行比较。

由图6、7与图8对比可知，在涡流场附近已经看不到平面波的影子，表明声波的传播方向发生了巨大的改变，声场已经处于混乱状态，各个方向都存在波的叠加，驻波现象得到明显的遏制，从指向性上也表明，声波不再具有在某个方向上具有很强的传播特性，而是在各个方向都具有一定的传播特征。因此说明，当锯齿状涡流场形成时，该涡流场被声波包围时，这时由于发生了声波的散射和折射现象，声传播特性发生更加明显的变化，其分布更均匀。

Claims (6)

1.一种锯齿状涡流场管，其特征在于，该锯齿状涡流场管(3)的出水端包括内外套接的内层管(31)和外层管(32)，沿着水流方向，外层管(32)管口距内层管(31)管口的水平距离为15～25mm，内层管(31)或/和外层管(32)的管口均加工为锯齿形结构，使出水在管口处形成涡流空化混沌场；锯齿的展开顶角为60～120°；在锯齿状涡流场管(3)的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，锯齿形管口的线性曲线为：

y＝±k(x-na)

其中：k为斜率，取值为0.577～1.732；a为齿间距，取值为20～25mm；n为锯齿的个数；当x为a/2的奇数倍时，y的取值为5.77～17.32mm。

2.一种锯齿状涡流场声混沌空化装置，包括反应器(1)，其特征在于，在反应器(1)的底部开设有进水口、上部侧壁开设有出水口，在进水口上安装有权利要求1所述的锯齿状涡流场管(3)，锯齿状涡流场管(3)的出水方向与反应器的轴线平行，在反应器(1)的侧壁自上而下分布多个超声换能器(2)，超声换能器(2)产生的声场与锯齿状涡流场管(3)产生的锯齿状涡流场联合形成混沌流场。

3.根据权利要求2所述的锯齿状涡流场声混沌空化装置，其特征在于，所述锯齿状涡流场管(3)是多个，均匀分布在反应器(1)的底部。

4.根据权利要求2所述的锯齿状涡流场声混沌空化装置，其特征在于，一个锯齿状涡流场管(3)与相邻一个锯齿状涡流场管(3)之间的间距不小于25mm。

5.根据权利要求2所述的锯齿状涡流场声混沌空化装置，其特征在于，所述超声换能器(2)在反应器(1)的侧壁上沿着周向均匀分布。

6.根据权利要求2所述的锯齿状涡流场声混沌空化装置，其特征在于，上下相邻超声换能器(2)之间的间距至少为50mm。