CN108147498B - 一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，该反应器包括文丘里管状的管体，管体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/和外层管的管口为多齿状结构，使经过管体喉部扩张的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状；与涡流流动方向垂直的超声波在多齿状涡流扰动作用下产生各个方向的散射和折射，在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，即超声换能器产生的声场与多齿状涡流式文丘里管产生的水力涡流场联合形成混沌流场，产生协同增效作用，可大大提高声空化降解有机污染物的效率。

Description

一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器

技术领域

本发明属于液态流混沌反应器技术领域，尤其涉及一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器。

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会产生驻波，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。本发明将解决这个问题。

发明内容

为了克服上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种多齿状涡流式文丘里管，其能够使出水形成多齿状涡流，提高空化效果。

同时本发明还提供了利用上述多齿状涡流式文丘里管与超声换能器联合，使声波在涡流空化场中传播产生各个方向的散射和折射，在液体中形成均匀、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的一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多齿状涡流式文丘里管，包括文丘里管状的管体，管体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的管口为多齿状结构，使经过管体喉部扩张的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为锯齿状，在管体的展开图中，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＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为半椭圆齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性曲线为：

其中：b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10～20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5～10mm。

进一步限定，所述内层管31或/和外层管32为抛物线形齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，抛物线形齿的线性曲线为：

y＝±m(x-na)²

其中，m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11～12.6mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，包括反应器1，在反应器1的底部开设有进水口、上部侧壁开设有出水口，在进水口上安装有多齿状涡流式文丘里管3，多齿状涡流式文丘里管3的出水方向与反应器1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产生的声场与多齿状涡流式文丘里管3产生的涡流联合形成混沌流场；

所述多齿状涡流式文丘里管3包括文丘里管状的管体，所述管体的出水端分为内层管31和外层管32，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为15～25mm，内层管31或/和外层管32为多齿状结构，使经过管体喉部扩张的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

进一步限定，所述多齿状涡流式文丘里管3是多个，均匀分布在反应器1的底部。

进一步限定，一个多齿状涡流式文丘里管3与相邻一个多齿状涡流式文丘里管3之间的间距不小于25mm。

进一步限定，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。

进一步限定，上下相邻超声换能器2之间的间距不小于50mm。

本发明提供的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，水流经过多齿状涡流式文丘里管的多齿状结构出口后形成多齿状涡流，当液体中产生涡流时，会形成液体密度的不均匀性，与涡流流动方向垂直的超声波在多齿状涡流扰动作用下产生各个方向的散射和折射，在液体中形成比较具有均匀、稳定的声场分布，即超声换能器产生的声场与多齿状涡流式文丘里管3产生的水力涡流场联合形成混沌流场，产生协同增效作用，可大大提高声空化降解有机污染物的效率。

附图说明

图1为利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器的结构示意图。

图2为实施例1中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图3为实施例2中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图4为实施例3中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图5为实施例4中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图6为实施例5中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图7为实施例6中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图8为实施例7中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图9为实施例8中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图10为实施例9中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图11为实施例10中多齿状涡流式文丘里管3的结构示意图。

图12为多齿状涡流式文丘里管3所产生的涡流场图。

图13为涡流场中声传播图。

图14为涡流场中声传播指向性分析图。

图15为平面波声场图。

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，本实施例的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器是由反应器1、多齿状涡流式文丘里管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，在进水口上安装有多齿状涡流式文丘里管3，多齿状涡流式文丘里管3的管体呈文丘里管状，其喉部直径与入口端直径之比为不小于0.6，多齿状涡流式文丘里管3的出水方向与反应器1的轴线平行，多齿状涡流式文丘里管3的入口与水泵连通，向反应器1内进水。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之间的最小间距是50mm，每一层上设置两个，且分布在同一层的超声换能器2关于反应器1中心对称，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，本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，内层管31管口和外层管32管口均加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，内层管31抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

外层管32抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝12.6；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

对于多齿状涡流式文丘里管3管口的结构设计，为了使管口出水能够形成抛物线型涡流，对于抛物线形齿的齿高、齿宽等参数要求相对严格，在上述参数范围内可适当调整，若齿高、齿宽太大或太小都不能形成很好的适于声波扩散的涡流，不能与声波产生协同增效作用。抛物线形齿的在管口处形成凸齿还是凹齿取决于y的取值，若取值为正，则沿着水流方向形成凸齿；若取值为负，则沿着水流方向形成凹齿。

水流经多个多齿状涡流式文丘里管3的喉部喷射后经双层抛物线形齿管口流出，在反应器1底部形成自下向上的快速移动的抛物线形齿形涡流，如图3所示，在反应器1内形成自下向上快速流动，而超声换能器2产生的声波随着抛物线形齿形涡流扩散而急速传播，并在传播过程中由液体带动产生各个方向的散射和折射，可在液体中形成均匀、稳定的声场分布，避免形成驻波，进而在提高声空化降解有机污染物的效率。

实施例2

本实施例的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器是由反应器1、多齿状涡流式文丘里管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，在进水口上安装有多齿状涡流式文丘里管3，多齿状涡流式文丘里管3的管体呈文丘里管状，其喉部直径与入口端直径之比为0.7，多齿状涡流式文丘里管3的出水方向与反应器1的轴线平行，多齿状涡流式文丘里管3的入口与水泵连通，向反应器1内进水。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，每一层上设置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。

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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20mm，参见图3，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，外层管32抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝12.6；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的管体出水端包括内外套接的内层管31和外层管32，呈阶梯状，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18mm，参见图4，外层管32管口为平齐的圆形管口，内层管31管口加工为抛物线型齿结构，使出水在管口处形成抛物线型涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，内层管31抛物线型齿的线性方程为：

y＝m(x-na)²

m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11.5；n为抛物线形齿的个数，当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例4

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的管体出水端分为内层管31和外层管32，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为15mm，参见图5，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＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

水流从多齿状涡流式文丘里管3的锯齿形管口流出，在反应器1内形成自下向上的急速涡流，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快速发生散射和折射，进而在液体中快速形成均匀、稳定的声场分布。

实施例5

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的管体出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，且外层管32管口距内层管31管口的水平距离为15mm，参见图6，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°。

以多齿状涡流式文丘里管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，内层管31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＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

外层管32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＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例6

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为25mm，外层管32管口为平齐的圆形管口，内层管31管口加工为半椭圆齿形结构，如图7所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，半椭圆齿的线性方程为：

b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝15mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝8mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例7

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为20mm，内层管31管口为平齐的圆形管口，外层管32管口加工为内凹的半椭圆齿形结构，如图8所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，半椭圆齿的线性方程为：

b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝12mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例8

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为20mm，外层管32和内层管31的管口均加工为半椭圆齿形结构，如图9所示，使出水在管口处形成半椭圆齿形涡流混沌场；多齿状涡流式文丘里管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，外层管32的半椭圆齿的线性方程为：

b为b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝10mm。

内层管31半椭圆齿的线性方程为：

b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5mm。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例9

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为25mm，参见图10，外层管32管口加工为矩形齿状结构，矩形齿状的齿高为15mm，一个齿宽为5mm，齿数为14，均匀分布在管口处。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

实施例10

本实施例的多齿状涡流式文丘里管3的出水端分为管体的出水端分为内层管31和外层管32，呈阶梯状，沿着水流方向，外层管32端口距内层管31端口的水平距离为25mm，参见图11，内层管31管口加工为矩形齿状结构，矩形齿状的齿高为10mm，一个齿宽为3mm，齿数为18，均匀分布在管口处。

其他部件结构及连接关系与实施例1相同。

为了验证本发明的声波能够随着多齿状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12和13以及14所示，将其与平面波声场(图15)进行比较。

由图12、13、14与图15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，当涡流形成时，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 (9)

1.一种多齿状涡流式文丘里管，包括文丘里管状的管体，其特征在于，所述管体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)的管口为多齿状结构，使经过管体喉部扩张的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

2.根据权利要求1所述的多齿状涡流式文丘里管，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为锯齿状，在管体的展开图中，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＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为5.77～17.32mm。

3.根据权利要求1所述的多齿状涡流式文丘里管，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为半椭圆齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，半椭圆齿的线性曲线为：

其中：b为半椭圆的长半轴，即半椭圆齿的齿高，b＝10～20mm，a为半椭圆的短半轴，即半椭圆齿的齿根部半宽度，a＝5～10mm。

4.根据权利要求1所述的多齿状涡流式文丘里管，其特征在于，所述内层管(31)或/和外层管(32)为抛物线形齿状，在管体的展开图中，以水流方向为y轴，管体的周向延伸方向为x轴，抛物线形齿的线性曲线为：

y＝±m(x-na)²

其中，m为常数，m＝0.5；a为两个抛物线形齿的顶点之间的距离，a＝11～12.6mm；n为抛物线形齿的个数；当x＝(n-1)*a+a/2时，y的取值为15～20mm。

5.一种利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，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，在进水口上安装有多齿状涡流式文丘里管(3)，多齿状涡流式文丘里管(3)的出水方向与反应器(1)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)产生的声场与多齿状涡流式文丘里管(3)产生的涡流联合形成混沌流场；

所述多齿状涡流式文丘里管(3)包括文丘里管状的管体，所述管体的出水端分为内层管(31)和外层管(32)，沿着水流方向，外层管(32)端口距内层管(31)端口的水平距离为15～25mm，内层管(31)或/和外层管(32)为多齿状结构，使经过管体喉部扩张的出水在管口处形成多齿状涡流混沌场；所述的多齿状结构为矩形齿状、锯齿状、半椭圆齿状或者抛物线形齿状。

6.根据权利要求5所述的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，其特征在于，所述多齿状涡流式文丘里管(3)是多个，均匀分布在反应器(1)的底部。

7.根据权利要求6所述的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，其特征在于，一个多齿状涡流式文丘里管(3)与相邻一个多齿状涡流式文丘里管(3)之间的间距不小于25mm。

8.根据权利要求7所述的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，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。

9.根据权利要求8所述的利用多齿状涡流式文丘里管的声空化反应器，其特征在于，上下相邻超声换能器(2)之间的间距不小于50mm。

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