湍流共振声空化发生器及其特性研究

提出一种新颖的"湍流共振声空化发生器"。它克服了常规水力空化发生器空化强度低，电动式声空化能耗高、处理量小等弊端，具有结构简单、空化强度高、处理量大、工作条件低等优点。本项目将研究它的特性，为设计该类空化发生器提供理论和实验依据，以进一步开拓其性能。主要研究内容：1、设计出匹配的喷嘴、障体和振动体，组成共振系统，将有限元优化与计算流体动力学结合，分析其发声特征和机理，探究与声波特征有关的声参量的控制途径和方法，以提高发声率和声强级，使其能在更大范围内形成有效的空化区域。2、研究空化流场中气泡的分布特征，探索调控水力多泡控制方法和途径。3、研究建立湍流共振声空化发生器对有机污染物降解处理的适应范围。研究新型大功率声空化发生器是探寻大流量处理液体的重要途径之一，这对于发展具有无二次污染特点的绿色污水处理技术，对我国水环境保护具有重要意义和应用前景。

一、背景：物理法处理污水，因不产生二次污染受到广泛的关注。其中的超声空化法，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，而且超声空化对许多种难降解的“三致”有机污染物能够有效地降解，更是为人们所重视。但传统超声空化，由于其自身的特点，制约着声空化的工程应用。因此研究开拓新颖的高能量利用率的高强度空化发生器，是解决工程应用的最重要途径。.二、主要研究内容：研究一种新颖的水动力声空化发生器—“湍流共振声空化发生器”，研究它的结构特点，发声特征，气泡的分布特点以及它的处理效果。.三、重要结果：1、用有限元法对湍流共振发生器进行数值模拟，结果表明，形状、结构和尺寸对湍流场的压力分布、速度分布以及空化场分布影响非常明显，进而也影响到声场的分布特征。当流场分布对称时，四个杆的振动步调及幅度都一致，反之也然；2、为使杆的振动具有径向振动特点，障体的直径尺寸必须和发生器的入口直径尺寸一致，喷嘴的喉部到障体之间的距离应非常小。3、对模拟设计的湍流声共振发生器进行实验研究，结果表明，杆起振压力过高，并随着压力的增加，杆振动所辐射的声压级也增强，考虑到能耗的影响，压力不宜过大。 4、小范围改变喷距时，实验显示近场和远场的声压级变化并不明显，此后逐渐增加喷距，近场声压级变化并不明显，但远场的声压级下降较多，表明喷距不宜过大。 5、波导管的影响，相对于无波导管时的杆振动发声传播特性而言，在很宽的频率范围内，其谐波成分的声压级都很高。 6、相对于文丘里管而言，在同样的压力下，流场中的声压级大大提高，显然要想提高水力空化处理效果，必须设计发声的部件。.四、关键数据：湍流共振声空化发生器的处理效果，与发生器的设计数据紧密关联，仿真与实验表明，障体的直径与喷嘴的直径之比应为3～2:1，喷嘴与障体的间距为1～3mm，振动杆距障体0.5～1.5mm，杆的直径为1～2mm，在这样的设计数据下，系统才能获得良好的声空化处理效果。.五、科学意义：设计湍流共振声空化发生器，既可以解决传统声空化因空化区域小又解决传统水力空化因空化强度低的弊端。对于耗量小、能效高、动力源方便的新型水力强声空化化装置的深入研究，在当前高度重视低碳低能耗技术的经济发展模式的潮流中，有着积极的科学意义和社会进步意义。