CN114349110B

CN114349110B - 一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器

Info

Publication number: CN114349110B
Application number: CN202111560385.3A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 李明; 王哓林; 刘厚林
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-12-15
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN114349110A

Abstract

本发明提供了一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，包括螺旋形蜗壳和叶轮，所述叶轮安装在螺旋形蜗壳内，所述叶轮包括前盖板、叶片和后盖板，在前盖板和后盖板之间均布若干叶片；所述叶片的工作面为圆弧面，所述叶片的背面局部凸起，使叶片背面与其相邻叶片的工作面之间流道局部变窄，形成喉部结构。本发明能够在一个大气压下持续稳定地产生空化，操作简便，适应性强，同时还具有良好的输送能力，可以持续不断地对污水进行处理。

Description

一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器

技术领域

本发明涉及污水处理领域，特别涉及一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器。

背景技术

随着工农业规模的不断扩大，污水排放量急剧增加，污水成分也越发复杂，污水问题已经严重影响了经济的可持续发展，同时也对人的身体健康和生态环境构成严重威胁，污水治理刻不容缓。常规的污水处理方式主要有物理法、化学法、生物法、高级氧化法等，但它们都存在着一定的缺点，例如物理法一般用于处理悬浮物和大分子物质，常用于预处理，成本高、处理周期长，同时再生性差；化学法采用的化学试剂可能转变成有毒有害的副产物，造成二次污染；生物法利用微生物自身代谢处理污水，时间长，容易超过微生物负荷，造成更严重的影响；高级氧化法工艺复杂，对催化剂要求高，成本高。尽管常规的污水处理方式是当下污水处理的主要手段，但其不可避免的缺点也和如今可持续发展战略背道而驰，因此探索开发新型的、环保的、可持续的污水处理方法迫在眉睫。

空化是液体物质独有的一种物理现象，当液体局部压力低于该温度下饱和蒸汽压力时，便会发生空化现象。研究表明：空泡溃灭时会产生局部高温高压、强烈冲击波、高速微射流等。这些极端条件可以直接破裂微生物细胞壁导致微生物失活，同时还会使水分子断裂产生具有强氧化性的羟基自由基(·OH)，能够有效降解污水中的有机物，空化技术在医疗卫生、污水处理、工业清洗等领域具有广泛的应用前景。水力空化技术和其他空化器技术相比具有能耗低、成本低、无二次污染等优点，其作为一种新型的高级氧化技术在污水处理领域脱颖而出。

常用的水力空化装置如孔板、文丘里管等，它们结构简单，制造运行成本低，但也存在着压力损失大、空化效应低、无法扩大尺寸等缺点，难以大规模应用。而目前大多数旋转式空化发生器结构比较复杂、空化流动条件苛刻，运行维护成本较高，也影响了其实际应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，能够在一个大气压下持续稳定地产生空化，操作简便，适应性强，同时还具有良好的输送能力，可以持续不断地对污水进行处理。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，包括螺旋形蜗壳和叶轮，所述叶轮安装在螺旋形蜗壳内，所述叶轮包括前盖板、叶片和后盖板，在前盖板和后盖板之间均布若干叶片；所述叶片的工作面为圆弧面，所述叶片的背面局部凸起，使叶片背面与其相邻叶片的工作面之间流道局部变窄，形成喉部结构。

进一步，所述叶片的进口安放角β₁和出口安放角β₂均为锐角。

进一步，所述喉部结构的形状近似为四棱柱形。

进一步，所述喉部结构的位置为δ＝R₁/R₂＝0.4～0.6处，其中R₁是指喉部结构s位于叶片4背面和前盖板上，且靠近叶轮进口处的顶点到旋转中心的直线距离；R₂是指叶轮出口半径。

进一步，所述喉部结构长度为L＝0.03～0.25b，所述喉部结构宽度为W＝0.3～0.5b，所述喉部结构高度为H＝1.5～2.5b。其中，b为叶轮出口宽度；L是指喉部结构s位于叶片背面凸起部分平面在流体流动方向的宽度；过喉部结构位于叶片背面靠近叶轮进口处的顶点做垂直于旋转轴的横截面，该顶点到横截面与相邻叶片工作面的交点的直线距离定义为喉部结构的宽度W；H是指喉部结构s位于前盖板和后盖板上，靠近叶轮进口处的两顶点直线距离。

进一步，所述叶轮转速为2900～4500r/min，所述叶片数目为Z＝4～9。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，不需要其他增压设备协助输送流体，可以兼顾流体输送和污水处理。

2.本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，结构简单，可以在较低转速下、一个入口大气压条件下产生较强空化，不需要繁琐的调速和降压操作，适应性强。

3.本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，可以通过改变叶片的数量、喉部的长度、宽度、高度以及叶轮的转速、进口压力来控制空化强度，能够根据实际需要选择最经济高效的运行方式。

4.本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，通过CFX对其内部内部空化流动进行了数值模拟，重点关注了其压力和空泡分布，结果表明：空化器在入口一个大气压条件下就能产生较强的空化，喉部后的叶轮流道基本充满不同发展程度的空泡，该区域压力较低；叶片能够提高流体的压力能使空泡在叶轮出口周期性溃灭，使其具有一定的输送能力。

附图说明

图1为本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器示意图。

图2为本发明所述的叶轮侧面剖视图。

图3为本发明所述的叶轮主视图。

图4为本发明所述的喉部结构放大图。

图5为本发明所述的旋转式水力空化器数值模拟的水体装配图。

图6为本发明所述的旋转式水力空化器的压力分布云图。

图7为本发明所述的旋转式水力空化器的空泡体积分布云图。

图中：

1-螺旋形蜗壳；2-叶轮；3-前盖板；4-叶片；5-后盖板：s-喉部结构。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，包括螺旋形蜗壳1和叶轮2，所述叶轮2安装在螺旋形蜗壳1内，所述叶轮2包括前盖板3、叶片4和后盖板5，在前盖板3和后盖板5之间均布若干叶片4；如图3和图4所示，所述叶片4的工作面为圆弧面，所述叶片4的背面局部凸起，使叶片4背面与其相邻叶片4的工作面之间流道局部变窄，形成喉部结构s。所述叶片4的进口安放角β₁和出口安放角β₂均为锐角。所述喉部结构s的形状近似为四棱柱形。

所述喉部结构s的位置为δ＝R₁/R₂＝0.4～0.6处，其中R₁是指喉部结构s位于叶片4背面和前盖板3上，且靠近叶轮2进口处的顶点到旋转中心的直线距离；R₂是指叶轮2出口半径。所述喉部结构s长度为L＝0.03～0.25b，所述喉部结构s宽度为W＝0.3～0.5b，所述喉部结构s高度为H＝1.5～2.5b。其中，b为叶轮出口宽度；L是指喉部结构s位于叶片4背面凸起部分平面在流体流动方向的宽度；过喉部结构s位于叶片4背面靠近叶轮2进口处的顶点做垂直于旋转轴的横截面，该顶点到横截面与相邻叶片4工作面的交点的直线距离定义为喉部结构s的宽度W；H是指喉部结构s位于前盖板3和后盖板5上，靠近叶轮2进口处的两顶点直线距离。所述叶轮2转速为2900～4500r/min，所述叶片4数目为Z＝4～9。

本发明所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，其能够在一个大气压下持续稳定地产生空化，操作简便，适应性强，同时还具有良好的输送能力，可以持续不断地对污水进行处理。

如图5所示，模拟实施例中，为了保证来流的稳定性和模拟的准确性，分别在进出口加装进水段和出水段，它们的长度分别为进出口管径的四倍。模拟使用的叶轮叶片数量Z＝6，喉部位置δ＝R₁/R₂＝0.43，长度L＝1.6mm，宽度W＝4mm，高度H＝16.4mm。

工作原理：当叶轮2高速旋转时，流体在叶片的作用下高速运动，流体经过喉部结构s时，由于过流面积减小，流体速度急剧增大，压力骤降，当压力降至对应流体温度的饱和蒸汽压以下时，便发生空化；叶片4在旋转过程中对流体不断做功，增加流体压力，因此在叶轮2出口流体压力逐渐恢复，空泡在高压区逐渐溃灭，释放出能量。由于叶轮2周期性的旋转运动和螺旋形蜗壳的非均匀结构，空泡在喉部结构的后侧周期性产生、发展、溃灭，入口压力越小，转速越高，空泡分布区域越广，溃灭释放额能量越多。

模拟过程中，叶轮转速为3000r/min，入口压力为1atm，出口流量为30m³/h。

模拟过程中，转轮2和蜗壳1采用结构性网格，进水段和出水段采用非结构性网格，所使用的网格总数量为2.68*10⁶，选择标准k-ε湍流模型，Schnerr and Sauer空化模型，收敛精度为1*10^-5。

从图6中的压分布云图可以看出，流体经过喉部s后，压力急剧下降，在靠近叶轮出口的位置压力才逐渐回升，喉部s节流效果十分明显。

从图7中的空泡体积分布云图可以看出，从叶轮2进口到出口的过程中，空泡体积分数先增大后减小，其中空泡体积在喉部s稍后并靠近叶片4背面的位置达到最大值，随后由于叶片4对流体做功，流体压力逐渐回升，具有了一定输送能力，计算得到的扬程为8m，空泡在叶轮2流道出口附近逐渐溃灭，并释放出能量。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，其特征在于，包括螺旋形蜗壳（1）和叶轮（2），所述叶轮（2）安装在螺旋形蜗壳（1）内，所述叶轮（2）包括前盖板（3）、叶片（4）和后盖板（5），在前盖板（3）和后盖板（5）之间均布若干叶片（4）；所述叶片（4）的工作面为圆弧面，所述叶片（4）的背面局部凸起，使叶片（4）背面与其相邻叶片（4）的工作面之间流道局部变窄，形成喉部结构（s）；所述喉部结构（s）的位置为δ=R ₁/R ₂=0.4~0.6处，其中R ₁是指喉部结构（s）位于叶片（4）背面和前盖板（3）上，且靠近叶轮（2）进口处的顶点到旋转中心的直线距离；R ₂是指叶轮（2）出口半径；所述喉部结构（s）长度为L=0.03~0.25b，所述喉部结构（s）宽度为W=0.3~0.5b，所述喉部结构（s）高度为H=1.5~2.5b；其中，b为叶轮出口宽度；L是指喉部结构（s）位于叶片（4）背面凸起部分平面在流体流动方向的宽度；喉部结构（s）位于叶片（4）背面靠近叶轮（2）进口处的顶点做垂直于旋转轴的横截面，该顶点到横截面与相邻叶片（4）工作面的交点的直线距离定义为喉部结构（s）的宽度W；H是指喉部结构（s）位于前盖板（3）和后盖板（5）上，靠近叶轮（2）进口处的两顶点直线距离。

2.根据权利要求1所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，其特征在于，所述叶片（4）的进口安放角β ₁和出口安放角β ₂均为锐角。

3.根据权利要求1所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，其特征在于，所述喉部结构（s）的形状近似为四棱柱形。

4.根据权利要求1所述的持续稳定产生空化的旋转式水力空化器，其特征在于，所述叶轮（2）转速为2900~4500r/min，所述叶片（4）数目为Z=4~9。