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超声波在城市剩余活性污泥中的传输特性的模拟及实验研究

田红

  由于超声波在污泥悬浮液中发生超声空化效应时将产生高温(5000K)、高压(50MPa)并伴随强烈的冲击波产生高强度剪切力的极端的物理环境,高强度剪切力可以破坏污泥的结构等特性,使污泥后续的厌氧消化处理的速度加快,因此,超声波破解污泥是一种非常有前途的污泥预处理方法,但是,其高能耗的瓶颈问题制约着该技术的快速发展。为打破能耗瓶颈,推动超声破解污泥技术在我国的大规模应用,本文从工程热物理的角度出发,以城市浓缩剩余活性污泥为研究对象,围绕超声波在污泥中的传输特性进行了一序列相关的理论推导、数值计算、数值模拟以及实验的研究,主要研究内容及结论如下: ①建立了球形污泥颗粒的超声波传播模型,推导出了粘滞波吸收系数和热波吸收系数,并在考虑剩余活性污泥悬浮液的流变特性的基础之上,推导出了超声波在污泥中传播时的粘滞吸收系数,这是本文的第一个创新点。 粘滞波吸收系数和热波吸收系数均与污泥颗粒介质的体积百分比浓度有关,根据污泥以及水的相关物性参数,可以求出粘滞波吸收系数和热波吸收系数。当粘滞波波长与污泥颗粒尺寸大致相等时,粘滞吸收损失最大。在低频时,污泥颗粒与水之间的温度差会在声波通过的时间内达到平衡,在高频时,只有位于污泥颗粒的表面部分参与热传导过程,当热波波长与污泥絮凝体尺寸相接近时,则整个污泥悬浮颗粒都会参与热传导的损失机理。 超声波在污泥中传播时的粘滞吸收系数与污泥的塑性粘度有关,而且由于污泥的塑性粘度随浓度的变化而变化的特性导致粘滞吸收系数具有不确定性。 ②从工程热物理的角度出发,基于能量平衡的基础之上,对空化泡在第一次崩溃末期的能量特性通过数值计算进行了详细的研究。提出了在空化泡不同的热力学状态下采用不同的热物理模型来描述空化泡的崩溃过程的方法,并首次给出了超声波在第一次崩溃过程中的等温过程与绝热过程的热力学状态的界定准则和分界点的位置,这是本文的第二个创新点。 超声空化泡在崩溃末期的能量转换特性是合外力功、动能、温度、压力、泡内外温差传热在崩溃点即空化泡最小半径值点均具有同时刻性,正是由于合外力功与动能在崩溃点降低到最小值,为崩溃点的温度、压力以及温差传热增加到最大值提供了能量保障,实现了能量的传递与转换。空化泡被压缩至初始半径值点,该点为等温过程与绝热过程的分界点,该点之前的过程属于热力学等温过程,该点之后至崩溃点(即空化泡最小半径值点)是属于动力学绝热过程,因此,在空化泡不同的热力学状态下采用不同的热物理模型来描述空化泡的崩溃过程更为适合。 ③采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,首次对超声波在剩余活性污泥中传播时最能代表其能量特性的声强的传播特性,在各种模拟工况下进行了数值模拟研究,研究结果可以为超声波处理污泥的声化学反应容器的设计及其优化提供理论参考,这是本文的第三个创新点。 对于圆柱体和方形体容器来说,声强的空间分布区域呈现出类似“圆柱体”的形状,这说明声强的空间分布具有一定的集中性。超声波发射面面积的大小对声强的空间分布有直接的影响。功率的增加只是整体增加了声场中各点的声强值。对于单个探头的圆柱形容器半径的改变和长方体容器的长宽改变时,二者声强具有相似的变化趋势,声强的分布空间区域也成类似“圆柱体”的形状;当高度不变时,随容器半径(或长宽)的减少,声强的分布空间区域的“圆柱体”的高度的增加体现在声强的衰减距离增大,而且声强值强的空间分布区域逐渐增多并且离发射面更远一些,同时单位距离的声强衰减速度逐渐降低。通过比较可知,当相关参数相等或相近时,对于单个探头的声化学反应器来说,圆柱体容器比长方体容器更适合于作声化学反应容器,球形容器不适合做声化学反应容器。多探头超声波发射面布置时,需要考虑声场中声强的覆盖区域,以及超声波的有效作用区域。 ④对超声波声强在浓缩剩余活性污泥中的传播特性进行了实验研究,采用基于能量转换与守恒原理的超声波热探头法,通过测量超声场中的温度变化来表示超声波在污泥中传播时的声强值的大小。 通过改变超声波探头发射面的位置、改变超声波的频率、改变超声波的输入功率以及改变超声波的持续作用时间等参数,在各种实验工况下进行了实验。实验结果指出,在一定的频率及功率下,声强在探头发射面附近骤然下降之后的曲线的变化趋势是比较平缓的逐渐趋于一定值左右,这是因为在超声波发射面附近发生了强烈的超声空化导致超声波声强值的降低速度很快;相同频率下存在最佳功率使轴线上各点的声强值均达到各自点的最大值;在其它参数相同时,并非功率值越大其声强值就一定越大,声强值的大小对超声波的频率及功率均具有选择性,存在最佳的频率值和功率值;随着超声波持续作用时间的增加,多数的声强曲线的变化趋势类似正弦曲线,而且声强值变化的总体趋势是增加的。……   
[关键词]:超声波;城市剩余活性污泥;传输特性;模拟;实验
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:重庆大学2010年