CN208279362U - 一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，属于环保设备领域，包括依次连通的第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、齿纹涡流槽4、圆锥扩张段5以及第二稳流直管段6；在喉管段3和圆锥扩张段5之间安装有齿纹涡流槽4。第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、圆锥扩张段5和第二稳流直管段6的内表面均光滑，齿纹涡流槽4的内表面攻有齿纹；齿纹涡流槽4入口连接圆孔与喉管段3的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽4的出口连接圆孔与圆锥扩张段5的小端直径相同并直接连接。本实用新型通过增加齿纹涡流槽4，提高文丘里水力空化装置的空化效率，消除空化区域的脉动现象，增强污水处理效果。

Description

一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置

技术领域

本实用新型属于环保设备领域，具体涉及一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，主要是一种用于废水处理的装置。

背景技术

水流经变截面通道时，其速度和压强将会发生变化，而且遵循伯努利方程。当水流经截面不断变小的通道时，流速不断增大，压强随之减小，水的压强可以降低到对应温度下的饱和蒸汽压力。当水的压强低到对应温度下的饱和蒸气压力时，液态的水开始以水中溶解的不凝结气体作为气化核心，气化生成大量的空化气泡。空化气泡随水流继续流动，当压强快速回升时，空化气泡会呈现“雪崩”式溃灭，这一现象称为水力空化。研究表明，影响水力空化效率的两个关键因素是流场变化剧烈程度和气化核心数量，流场变化越剧烈，气化核心数量越多，空化效率越高。

目前，水力空化在污水处理方面已经有所应用。污水流过空化装置，在空化装置的空化区域末端，空化气泡快速溃灭，生成具有高活性、高氧化性的·OH自由基，该自由基与污水中的有机物反应，完成污水处理。

文丘里水力空化装置是一种典型的水力空化装置，由于其具有流场稳定，能耗较低等诸多优点，在污水处理中已经有所应用。但是其空化效率较低，同时还存在着空化区域周期性产生与消失的脉动现象，影响污水处理效果。因此提高文丘里水力空化装置的空化效率，消除空化区域的脉动现象对污水处理具有重要意义。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置。该装置通过在传统文丘里水力空化装置中增加一个齿纹涡流槽，在适当增加对流场扰动的同时增加气化核心数，从而提高文丘里水力空化装置的空化效率，消除空化区域周期性产生与消失的脉动现象，使空化区域更加稳定。该装置能够获得较高的空化效率与稳定的空化区域，可以提高污水处理效果。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、齿纹涡流槽4、圆锥扩张段5及第二稳流直管段6，其特征在于：在喉管段3和圆锥扩张段5之间安装有齿纹涡流槽4。

上述一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，所述第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、圆锥扩张段5和第二稳流直管段6的内表面光滑，所述齿纹涡流槽4的内表面攻有齿纹。

上述一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽4的流入连接圆孔与喉管段3的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽4的流出连接圆孔与圆锥扩张段5的小端直径相同并直接连接。

上述一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽4的入口连接圆孔直径d₁为4mm，出口连接圆孔直径d₂为4.25mm；槽深度h为2mm，宽度l为2mm。

上述一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，所述齿纹涡流槽4内表面上的齿纹高度为喉部直径的1/40。

和现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型为一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，在喉管段3和圆锥扩张段5之间安装一个齿纹涡流槽4。齿纹涡流槽4的设计使得主流可卷吸入大量气泡作为饱和水在圆锥扩张段5内空化的气化核心，可以大幅度增加气化核心数，提高空化效率。同时气化核心数的大幅增加，使得在圆锥扩张段5内，饱和水的空化过程对不凝结气体核心的依赖减小，从而消除圆锥扩张段5内空化区域周期性脉动的现象。

2、齿纹涡流槽4左侧的流入圆孔直径小于其右侧的流出圆孔直径，较多的饱和水进入齿纹涡流槽4，在齿纹涡流槽4内形成一个气液混合涡流区，同时由于槽内齿纹对涡流的扰动作用，在槽内发生饱和水空化与水蒸气再液化的复杂过程，此空化过程也会产生一定数量的·OH自由基。同时涡流还会加强主流的卷吸作用，提高主流卷吸入的气相比例，从而提高空化效率。

3、圆锥收缩段2、喉管段3和齿纹涡流槽4的通流截面积发生从逐渐收缩到稳定不变再到突然扩大的变化，通流截面积的变化使上述三段构成一个类文丘里结构；齿纹涡流槽4的后半部分与圆锥扩张段5的通流截面积发生从稳定不变到突然收缩再到逐渐扩张的变化，通流截面积的变化使这两段也构成一个类文丘里结构。两个类文丘里结构加剧了饱和水流所受到的扰动，剧烈的扰动将提高空化效率。

本实用新型通过在传统的文丘里水力空化装置中增加一个齿纹涡流槽4的方式来提高其空化效率，消除其空化区域的脉动现象，促进文丘里水力空化装置在污水处理过程中的推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的内部流道示意图；

图2为本实用新型的立体剖视结构图；

图3为本实用新型的齿纹涡流槽的内表面齿纹放大图；

图4为本实用新型入口压力为0.4MPa时数值模拟的气相体积分数图；

图5为本实用新型入口压力为0.4MPa时数值模拟的齿纹涡流槽内速度矢量图；

图6为本实用新型从圆锥收缩段2到圆锥扩张段5通流截面积变化示意图。

图中1.第一稳流直管段，2.圆锥收缩段，3.喉管段，4.齿纹涡流槽，5.圆锥扩张段，6.第二稳流直管段。

其中图4中展示的是从圆锥收缩段2到圆锥扩张段5的气相体积分数图，标尺颜色从黑到白依次表示气相体积分数由低到高；图5中箭头方向表示速度方向，箭头长度表示速度大小，箭头越长，速度越大，箭头越密，速度梯度越大；图6横轴上数字分别代表圆锥收缩段2、喉管段3、齿纹涡流槽4和圆锥扩张段5，横轴上各段长度分别为上述各段的相对长度，纵轴表示通流截面积。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型是一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、齿纹涡流槽4、圆锥扩张段5及第二稳流直管段6。

如图2所示，第一稳流直管段1、圆锥收缩段2、喉管段3、圆锥扩张段5和第二稳流直管段6的内表面光滑，齿纹涡流槽4的内表面攻有齿纹。

利用FLUENT软件对本实用新型进行数值模拟，在入口压力为0.3-0.8MPa范围内，出口压力为大气压的条件下，优选如图3所示的齿纹涡流槽尺寸，该尺寸空化效果最好，齿纹涡流槽4的入口连接圆孔直径d₁为4mm，出口连接圆孔直径d₂为4.25mm；槽深度h为2mm，宽度l为2mm。

如图3所示，齿纹涡流槽4内表面上的齿纹高度为喉部直径的1/40。

图4和图5是采用图3所示的尺寸，当入口压力为0.4MPa，出口压力为大气压时的数值模拟结果。图4展示的是从圆锥收缩段2到圆锥扩张段5的轴向截面气相体积分数图，颜色越白，表示气相体积分数越高。图5展示的是齿纹涡流槽4内的流场速度矢量图，箭头方向表示速度方向，箭头长度表示速度大小，箭头越长，速度越大，箭头越密，速度梯度越大。

上述水力空化装置的污水处理过程如下文所述。

如图1和图2所示，污水从第一稳流直管段1流入文丘里水力空化装置，由于第一稳流直管段1的内径未发生变化，污水在第一稳流直管段1内稳定流动。污水继续流动进入圆锥收缩段2，如图6所示，在圆锥收缩段2内，通流截面积快速减小，从而使污水的流速不断增加，污水压力随之降低，污水压力降低至该温度对应饱和蒸汽压力时，此时污水中的水进入饱和状态。

污水继续流进喉管段3，在喉管段3内，污水继续稳定流动。如图4所示，在喉管段3的前缘和靠近壁面部位有少量空化气泡产生。这是因为喉管段3内只有近壁面处污水流速较小，而中心处污水流速太高，不凝结气体核心来不及长大就随污水流出喉管段3，由于本技术在喉管段3后加入了齿纹涡流槽4，促进了气化核心的生成与发展。

污水流入齿纹涡流槽4后，如图6所示，圆锥收缩段2、喉管段3和齿纹涡流槽4前半部分通流截面积的变化分别为逐渐收缩，稳定不变和突扩变大后稳定等状态，构成一个类文丘里结构，齿纹涡流槽4的前半部分相当于普通文丘里管的扩张段，使得污水中的饱和水在齿纹涡流槽4的前半部分快速空化，且流道截面积发生突变，扰动更加剧烈，空化程度相比流道截面积平缓过渡时更高，为下游圆锥扩张段5内的空化提供更多的气化核心。

如图5所示，空化产生的水蒸气和饱和水在齿纹涡流槽4内形成气液混合涡流，而且在靠近槽顶的地方，速度矢量箭头较为稀疏，流速较小。由于齿纹涡流槽4内靠近槽顶的流速较小，通过采用如图3所示的方式，在齿纹涡流槽4内表面增加齿纹，齿纹增加了对涡流的扰动，使得近壁面的低速饱和水也能够空化，提高齿纹涡流槽4内气相体积分数。由于涡流的流动复杂，剧烈的扰动会使污水中的不溶解气体核心迅速长大并破裂，产生一定数量的·OH自由基。

如图3所示，齿纹涡流槽4的流入连接圆孔直径d₁为4mm，其流出连接圆孔直径d₂为4.25mm。由于流入圆孔直径小于流出圆孔直径，如图5所示，主流在齿纹涡流槽4内向前流动的同时向偏离轴线的方向扩张，更多处于饱和状态的水进入齿纹涡流槽4，使齿纹涡流槽4内的涡流更加强烈，强烈的涡流有助于主流的卷吸作用；结合图4和图5可以看出，齿纹涡流槽4内的气相被主流卷吸进入主流中，使主流中气化核心数量大幅增加。主流卷吸进大量的气泡与主流内原来的不凝结气体一起作为气化核心在圆锥扩张段5内生成更多的空化气泡。由于卷吸入的气泡量远大于原来不凝结气体的量，能够稳定地提供足够数量的气化核心。由于气化核心数量的增加，饱和状态的水在圆锥扩张段5内可以产生更多的空化气泡，从而提高文丘里水力空化装置的空化效率；而且饱和水的空化过程对不凝结气体气化核心的依赖减小，避免了空化区域周期性脉动的现象。

带有大量气泡的污水从齿纹涡流槽4流入圆锥扩张段5，齿纹涡流槽4的后半部分与圆锥扩张段5又构成一个类文丘里结构，如图6所示，通流截面积在齿纹涡流槽4的流出圆孔处达到最小后又逐渐变大，圆锥扩张段5相当于普通文丘里管的扩张段，在圆锥扩张段5内发生空化气泡长大与“溃灭”现象。从图6可以看出，在圆锥扩张段5内，通流截面积呈抛物线式增加，因此在进入圆锥扩张段5初期，通流截面积变化缓慢，压力变化也较为缓慢，污水中饱和状态的水会以从齿纹涡流槽4中带来气泡为核心继续发生空化，空化气泡继续长大，在图4中呈现出气相区域进一步增大的现象；如图6所示，随着圆锥扩张段5的直径继续增大，通流截面积增速不断加快，污水流速快速降低而压力急速回升，在图4中呈现出一个较窄的锋面，在锋面前截面含气率很大，而锋面后气相全部消失，说明空化泡在此锋面急剧“溃灭”消失。在空化泡溃灭时，会产生瞬时的局部高温、高压环境，这一特殊的环境，足以打开水分子中的化学键，形成高氧化性、高活性的·OH自由基，而高活性的·OH自由基会与污水中的有机污染物发生氧化反应，可将水中大多数有机污染物氧化降解成为无害物质，从而达到净化水质的目的。最后污水流入第二稳流直管段6，在此段稳流后流出。

Claims (5)

1.一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，包括依次连通的第一稳流直管段(1)、圆锥收缩段(2)、喉管段(3)、齿纹涡流槽(4)、圆锥扩张段(5)及第二稳流直管段(6)，其特征在于：在喉管段(3)和圆锥扩张段(5)之间安装带齿纹的齿纹涡流槽(4)。

2.根据权利要求1所述的一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，其特征在于：所述第一稳流直管段(1)、圆锥收缩段(2)、喉管段(3)、圆锥扩张段(5)和第二稳流直管段(6)的内表面光滑，所述齿纹涡流槽(4)的内表面攻有齿纹。

3.根据权利要求1所述的一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，其特征在于：所述齿纹涡流槽(4)的流入连接圆孔与喉管段(3)的直径相同并直接连接，齿纹涡流槽(4)的流出连接圆孔与圆锥扩张段(5)的小端直径相同并直接连接；齿纹涡流槽(4)的入口连接圆孔直径(d₁)大于出口连接圆孔直径(d₂)。

4.根据权利要求1所述的一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，其特征在于：在入口压力为0.3-0.8MPa范围内，出口压力为大气压的条件下，所述齿纹涡流槽(4)的入口连接圆孔直径(d₁)为4mm，出口连接圆孔直径(d₂)为4.25mm；槽深度(h)为2.5mm，宽度(l)为2.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种带有齿纹涡流槽的文丘里水力空化装置，其特征在于：所述齿纹涡流槽(4)的内表面上齿纹高度为喉部直径的1/40。