（化工过程机械专业论文）涡旋波膜生物反应器的剪应力分布及传质强化.pdf

丈连理羔大学碟士学建论文 攘要 涡旋波膜生物反应器是将涡旋波流动与膜生物反应器技术相结合，利用涡旋渡流动 在雷诺数较，j 、的屡流状态下惫好的弱都混合特性，产生强翻蹰流，加快动鬣交换速率， 达到增强传质的目的。而且其翦切应力和能量消耗与传统的依靠湍流来强化气液传质相 比器小褥多，提高了微生耱纲瞧在膜生物反应器中酶存滔率，簿决了传统骥生物反应器 堵壤和浓差极化等问题，有很墓要的研究价值。 本文通过实验的方法对涡旋波膜生物反应器进行传质性能测试，著利用数值模拟的 手段对反成器肉的剪应力分布等参数进行了计冀，主要内容如下： 建立涡旋波膜生物反应嚣实验装置，本反应器为间歇式反应器。对不同槽道结构进 行冷摸传襞实验，并孀反应嚣对人工合成疲水逡牙生纯处理，霹生化反应避程中的传溪 性能进行测试，不同时刻出水处理效果通过测试化学需氧量( c ) 值来衡量。通过对实 验结果的分辛斤，可以得是：涡旋波流动可以盛著增强气液传质效果，相对于稳定流 动而言体积传质系熬t 归平均增幅为2 6 6 7 ；藏，l 、拼流闽距五可以进一步强亿传质 效果，折流间距越小，h 值越大，强化效果越鼹著，l 与缸n 平均增幅符舍对数形式增 长关系：女，爿) = ，1 4 5 3 7 l m 篮p 7 9 8 4 6 ； 不舄耩道结擒串船鼗对照8 都翼有鑫著瞧影 响。在此基础上对涡旋波在层流流动下强化传质的机理谶行了分析。 通过对涡旋波膜生麴反应器中的辩捆流漉场进行数值模拟，系统地研究了反应器爽 的翦应力韵分布规律：壁黼、涡心、旋涡生成处及菲旋涡生或区的剪喇应变依次降 低；随糟胎数冉勺增大，扩张区内剪应力的平均值呈线性增加趋势。 奉文定量静分褥了满旋浚流动在鬣霉谨鼗下气滚黉璜褥淫，为令螽遂一步醑究涡旋 波膜生物反应器及其工业化应用提供了定的实验基础a 美键词：满旋渡骥擞物反应器；传质；船数；蔚应力；d 涡旋波躐生物反赢嚣的剪残力分布及传履强化 s h e a r i n gs t r e n g t hd i s t r i b u t i o na n dm a s s1 确n s f e fe n b 矗n c e r n e n to f v o r t e xw a v em e m b r a l l eb i o r e a o t o r s a b s t r a c t l n 。r d 材t oe n h 巍n c ep e f f o r m 馘c eo f m 毡s s r a n s l 鹂也ev o n e xw a wm b rc a nb eu s e da s 拄 n o v e lt e c h n i c nc o m b i n e sv o r t e xw a v en o wa n dm b rt e c h n i c ，w h i c hu s i n gv o r t e xw a v ec a n 豁拜e f a | ev o 翠e f f t 主v el o c a l 搬i x 强g 鞠dc o m e 秘谂b e j 聪f 囊c 撼c o 茹v o c t i o 鞋，e x 嚣出堍 f 飘o m 嗣鲢l l me x c h a 拄2 鼙喇e r h ee o 秘镬蛀o no fl a r a i n 8 r 是o w 镰暾l o w 霆8l m m b 钟e o 氆a f 书畦 w i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d so fe n h a n c i n gm a s st r a n s f e rb yu s i n gt u r b u l e n tn o w ，m os h e ar i n 鳐 s 甜e s sa n dl b ep o w e r 碰s 虹p a 矗o n 讯t 酶v o n e xw a v em 8 ra 揩r a 盛e ri o w 。鞋i sv e r yw 。“h y ， w b i 馥i 1 c f # 8 s e s 弹科如蘸强t e 鹾搬l e r o 甜g 融i 滩l 弧8 b de 黼鑫l s o l v os o m op b l e m ss b e h a sc l o g g i n ga n dc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o ni nt h et r a d i 虹o n a lm b r 抽幽西p a p e lt h op a l 狮8 t e r so fm a s s 妊戳1 s 诧rp 。墒m 1 8 酢c 8a r e 积p 谢m 鞠t a j 4 yt e s 饴d 泌 砖1 ev 。n e xw a v em 8 r ，n d h ed i 婀弛诅t o no fs h e a r i n g 辩。n 鳓诬 h ev o 娃积w 毡v em b rj s i n v e 啦i g a t e db yu s i n gn u m e f i c 啦s i m u l a 吐o nm e t h o d t h ef o l l o 谢n gc o n t e n t 8a r ed i s c u s s e d 。 as e to fe x 嚣r i n l 髓n 噩e q u i p 黼n to fv o n e xw 洲em b ri se s t a b l i s h 积，w h i g hi ss e q u e n 始 r 。a c t o rt h em a s st f a i l s f 。re x p e r i m e n t so f 、v a t 即a n ds y n t h e s 诂w a s t e w a t o ra r ec a r r i e do mt o r 硅i 程e 摊n tc l 瑚m o 】s 嚣1 b e u 辖s 弧l e 搬8 s st 豫n s f 矗静e r 如玎n 融l c 毒黼dl h 嚣辩s u h so fw a s t e w 默o r 拓c a t m e n ta c v 醴u a t 碌b y 。h 档n k 越o x y g c 摭d e m 黜d ( c o 秘o fi n 如e n ta n de 船u e n t s o 眦 e x 臼e r i m e n t a lr o s u l t sa r eo b t a i n c d ：v o n e xw a v ef l o wm a yr c m a r k a b l ye r 血a n c o 是a s l i q u i d m a s st 潮s 南r ，毪n d 愈eo v e 蹦iw i 糯e 砸em 8 s st r a n s 羲灌o 氆e i e m 盎。癌) 勰e 拣g e i yi r 搿e a s e s 2 6 6 7 e o 辩甜瘐建g 谢彘t h a t 。量撩es e a d y _ l o w 。m a s s 拄a n s 蜘re 黝b e 溉b 站re 酶懿e e db y r e d u c n gd e f l e c t o rs p 卵i n g 上i nt h ec h a n n e l 。下h er e l a t i o nb “w e e n a n d 蚝dc a nb ed e s c r i b e d a sf o l l o 砸n g ：盘罅( 徇兰一1 4 5 3 7 l n g ) + 7 9 。8 娟n er pn u m b e rh 挂sa ni m p o n a n te f f e c tt o 詹，球i na 1 1k h l d so fc h 露1s 嘲c t u r e s b a s e do n 也ea b o v er e s e a r c h 弛s u l t s ，t h em e c l l a l l i s mo f s i 芷n 壕。醐l 辩鑫s st r a 菇s f 畿蠛吐1 8 抟c e 瓣e n t 豫d e fl 趣麓i n 墨r 娃o wc 饼l d 撼o n s sa n a 垮z e d ， 袖en u m 戚c 宙s i m 戚a t i o ft w o - 曲鑫s cn o w 蠹e l d 遗t 酶他8 髓档掘e a 嗽e do u t 谗也i s p a p e r r h ed i s t r i b u t i o no fs h e a r i n gs t r e n g 山i nt h ec h a n n e l i ss y s t e m a t i c a l l yo b t a i n e d ：t h o s h e 甜r a t e so fw 击l ，v o r t e x c o f 。，v o r t i c i t y 黼dn o 一v o 弼c i t yr e g i o n sa 糟d e s c 黜d i n gs o 拽 w i t h 如n u n l b e ri n c 托鹪i 赴g ，像e 钾e r a g eo f 蠕e 触i 炼s 靛棼n 鼢b e e 。m e si i n e 甜净i n e 摊a s l 鹅 t e n d o n c y 撖也eb a c ks t e pe x p a n dc h a i 】n e l ， h i sp 氧口e rq u a n 珏t a t i v e 王ys t u d i e s 也em a s s 批i 呈：l s f 醯c h a r a c t e 穗吨话o f t h ev o 脚x 、张v ew 浊 i o w 五pn u m b e lhp r o v i d e se x p e r i m e 眦a la n dd e s 培a b 啪d a t i o n 亿rf u r t h 母rs n l d ya n d 夫连理”t 大学硕士学懂论文 i n d u s 越出i z a 娃o no f 铂ev 翎鼎w 越懈m b r ， 萋( e 拶9 砖辩v o r 妞w a v em b 鬏黻鑫辐锨魏婚e 嚣f 秘糕抽e 幽e 嚣r 王狂gs 骶n g 镪；娃璎； i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 ： 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 查整堡_ i 盔兰篓主堕塞妻釜堕曼茎 大连瑾工必学学德论文敝权使用授校书 本学位论文作者及指导教师完全了孵“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 嫂志”，同意大连璎工大学馕謦莠向困家枣关部门或枫掬遴交学位论文黪复印 牛秽电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分f = l j 容编入有关数据库逡行检索，也可采弼彩印、缩印或扫猕等复制手段傈存和汇编学位论 文。 乍者签名 导蛹签名 谚越 望盈童量军 一喜年月，7r 鎏兰年l 月r 大连理羔大学硕i 学位论文 号l誉 涡运动是流体中晟普遍存在的一种运动形式，涡运动的研究，9 i 史和流体力学的发展 历史一样憨久。人们对湍流的研究发蕊：湍流兼有隧辊瞧藕接穿眭的特点，其基奉结构 之一就是备种尺度的涡( e d d y ) ，既有大量的随机的小涡构成背景流场，也有大尺度拟序 蠡涡缝捣在绫诗意义= 的存在l 。困姥，菲定弱浚帮旋涡是是然癸最普遍存在的淡体运 动形式。非定常流所疆研究的是流动特性随时间变化的物理过程。而旋涡怒流场中涡量 棚对集中的有限区域，旋涡运动在流体力学中占有极其羹要的地位。 所谓涡旋波是搔旋涡酌波动醣及与波动有关静主流，都旋涡交替出现在流遥穗对的 壁面处，主流在旋涡问呈现蜿蜒波状流动。涡旋波是一种特殊的边界层分离现象，它产 生于基流敬态下。蠛旋渡懿一个重要孝孥经在予：窀鼗在懿体爱滚状态下毒缀好戆嚣辩浸 台特性，遮对于传递的过程强化来说是非常有利的；并凰涡旋波流动可咀将黩面的剪切 速率降低到适合细胞生存的程度，具寤b 耗小。翦切应力低的优点。如果将涡旋波的这 一优点与臌生物反巍器相结合，那么就可使生物反应器肉豹微生物细胞在赘切应力鞍低 的条件下进行培养，不致于对膜壁面附近区域微生物细胞构成致命的伤害。 在本磷宽室 l 蓍期羽p l v 遘行滚场测试实验磅巍及数壤模熬的纂礁上，渡诗了满旋波 膜生物反成器，并对人工合成废水进行了好氧生化处理，测试了各种不同的工况及不同 圭斥漉闻距的槽道结构条件下反应器内的气液传膜的性能及c 0 d 晦解特性。实验数搬蛇 分析和整避结果表弱：涡旋波流场在强化气液传质及反成过程参数方面效聚明显。本文 还对涡旋波流场中模拟加入微小颗粒，对其形成的两相流流场进行了数值模拟，得出了 满旋波簇生戆反应瓣嚣穗瀛浚绣豹瀑含特注帮剪应力分垮溉簿。 论文的笫一章为文献综述部分，介绍了涡旋波的研究现状、发展趋势及膜生物殿应 嚣黪发展历史及实黪应用；第二章采用数值模拟的方法对涡旋波膜生物反应器内的剪应 力分布进行了模拟计算：第三章重点介绍了涡旋被膜生物反应器实验装置、实验流稷和 实验参数的选择及测定；第豳章对涡旋波膜生物反应器的实验数据进行了黎理、分析和 讨论，并对涡旋液流动在鞍稳数下增强谨袋豹骧霹避行了分褥；第五露先谚文辩螽 论部分。 涡旋波膜生物反应器的剪应力分布及传质强化 1 文献综述 低雷诺数流体流动在化工、生物化工和环境工程等领域应用广泛，但由于流体的粘 性力占主导地位，从而使低雷诺数条件下强化传质和传热的研究日益受到熏视。在一定 条件下，当振荡流通过截面尺寸突扩的二维流道时，在流道壁面处产生一系列旋涡，同 时流道的中心流域伴随着一种波状结构，这种条件下产生的波状流动及壁面处生成的旋 涡称为涡旋波流动f 2 】。涡旋波流动就是在低雷诺数条件下产生的一种特殊流动现象，由 于这种流动形式具有在低雷诺数下强化传质、传热且产生的剪切力较小等特点口。5 j ，日 益引起国内外研究者的兴趣。 涡旋波膜生物反应器充分利用涡旋波流动在低雷诺数下强化传质的特点，将涡旋波 流动与膜生物反应器技术相结台，在层流流动状态下达到强化气液传质的目的，克服传 统的膜生物反应器主要依靠提高流体速度的方法，对膜表面附近的边界层进行扰动，从 而减薄膜壁面附近的浓度边界层，来提高传质的有限性，并且能够降低能耗。 1 ，1 涡旋波流动及装置 b e l l h o u s e 等人利用振荡流通过有沟槽的通道来强化传质，发明了高效的膜充氧器。 b e r t r a i n f 6 _ 7 1 等研究脉动流经过一个固定的扩张槽道时，在槽道的壁面处观察到有大量的 旋涡产生，但当时他们没有意识到这种流动所体现出的波动特性，而认为这些旋涡是在 准定常条件下，由于具有拐点的速度侧形的不稳定性所形成的“涡街”。有几位研究者 在相类似的研究中，推导得出了流体边界层方程的解具有波动的特点，且当振荡频率超 出某一临界值时，波即刻衰减，但他们也没有提出“涡旋波”这一概念。之后又有 s t e p h a l l o 科8 l 及b o g d a n o v a l 9 j 等人观察到了这种流动现象，但他们都只关注了出现在槽道 中的旋涡，而没有将旋涡的变化过程和中心流的波动状态综合进行研究。 s o b e v 【2 1 对这种流动现象产生了兴趣并于在1 9 8 5 年通过实验表明：振荡流时，在静 止的扩张槽道的下游，会产生涡旋波流动状态。并且认为，当振荡流体通过扩张槽道时， 槽道两侧交替的产生旋涡，这些旋涡的生成具有波动的特点；同时，主流体穿插在旋涡 问呈现波状流动的特点，这种类型的流场称为“涡旋波”流场，这种流动形式称为“涡 旋波”流动。并指出涡旋波流动不是卡门涡街。涡旋波的流动结构示意图如图1 1 所示。 涡旋波是一种特殊的边界层分离现象，它产生于层流状态下，r p 数大约在1 0 0 5 0 0 之间。因此涡旋波的显著优点是，它能以较低的速度，达到强烈的对流混合传质。同时， 与传统的依靠流体高速运动进行混合传质的方式相比，在达到同样的传质效果时，涡旋 波流体内部所产生的剪切应力要小得多、能量消耗也很小。 大连骥工大学硪士学能论文 鞠】。；瓣瓣没静瓣动髂褥示意麓 f 嘻1 ，1s t m e 欹j d x w “# 灞菠波滚渤程纯工、l 巍藤医疗及生物辩学餐镁域爨煮缓好的应耀蕊最。黠涡辘渡浚 动及穗芙的淡韵装嚣进行斑孀基磷及工程艘翅研究，其有鬟鬟的学术份德帮工摆意义。 利用掇游流流黩波状的膜稽遵产业涡旋渡+ 可敬克服血液的流艨驻力，澈少盘液中缨胜 豹摇荡 将满浚波与穗意流榻绻套，势弱鞠鼯流鼗鼹，露虢强 毛趣裂漩滤豹避疆，减少 斑液中_ 觌红细藏的破繇。翻此可弱，涡旋波这耱特殊的流动飘象具肖狠好韵疲嗣赫景。 1 ， 2 灞壤渡浚霸瓣辩袋条肄 涡旋波流动怒在掇荡流条件下形成的，避一种非志常运动。p e d l e y 簿人在以下两释 媾揽下翳察到了漏旋敬溅韵”目：援荡浚缀过不对拣扩张糖遂时霹戳蕊察列涡藤波 流动，如图 2 掰示。这麓舀翦研究簸多的，匏是最常见的一蕈孛涡旋波溅动方式；稳 定流漉经壁蔼馓罔嚣振动的槠邋时，能产生涡麓被流动，獒撼道结构如辫l 。3 所承。凰 中黑德麓嚣楚幽哥静拣豹橡胶翻戚豹镌够上下撅韵的蘩嚣( 稼为爵藏动蘸錾) ，其余辩 分由踟性材靼潆0 成。通过外力使可移动避谣按碰弦溉律上下运穑，箕掭幅和频率都是西 渊鳃。攮遵莓援秘爨嚣 繁测斓魅驰攘荡运动( 蕤遽壤按正弦籁姆交诧) ，馕褥邈一隧城 攒道翡黻蕊积毪按援弦蕊簿变化，囊予滚爨不变，遮送城豹乎均溅遵氇按正弦勰律焚 亿。因此。楼道入麟处蛉平均漉遮盛然不变，但程可移动避蕊她的瀛体靛速度随时渊梭 l f 弦溉终褒化。强此，遮掰静渗飘下靛流动都避非定嚣流动。 _ n 一 “ j j 氯： 一 、 一一。j ，一1 、f + ： 、一。一 ，一i 誓一j i 一一4 一 一一，? 遵2 一 麴1 2 瓣辫溺流缀突扩魏露 聊g ，1 。2o s c i l l 撒o r yn o wt h r o u 曲e 黼d l n gc h 黼n e l 涡旋波麒生物反震器静剪藏力分布及传攫强拖 按正弦搬律上下运载 重- 弋茎量! 量厂一 k 平均流遵为 匿l ，3 设寄移魂壁嚣驰槽邀 f 毽1 3 c h a n n e l w i t ha n o s c i i i a l | n g w a | 1 假设振荡周期的柄始时刻速度为零，当速度煺加到一定值时，攫遵截西变他娃产生 第一个旋涡，该旋涡尺寸随速度增加而增加，值当速度遮别最大时，旋涡尺寸并没达到 最大。在随艏的减速流动中，这个旋涡的尺寸还在不断长大，同时在相对的蹙面上形成 了第二个较大静旋满，主流在这些旋涡之阕呈波形滚动，遮就是满麓渡流动酌彩藏道稷。 涡旋波流动中在旋涡生成后，不管是在流体的减速阶段还是在流体的加速阶段，旋 涡一整在长犬，直至溅体速度域为零时旋涡长至最大，固时旋涡的位置也楚在变化鲍。 当流体在反向流动时，在壁面形成的旋涡被挤到中心，并很快消失，接着又撬复旋涡的 产生和发展的过程。 s o b e v 邋过实验躐察了满旒波流动在不同发震除段静流场，并稍福杭褥流场记录下 来i ”16 1 ，对涡旋波的流动特性进行一些定性的分析。结果袭明，涡旋波流动形成后，在 壁蘸处生或豹旋涡不隧主流囱下游移动嘲。这与卡门漏缀现象有缀丈的区别。图1 4 舞 卡门涡街示意图，当肥数达到一定数值以后，在圆柱体后面分离出的旋涡将交错、反 向地向下游抵出，形成涡列，这种柱状物体后形成啦交错排列的涡列被称作母门涡街”“。 图1 4 卡门涡街示意图 f 培1 4 k a m a n v o n e x 时r e o t 1 1 3 涡旋波流动的影响因素 在非定常流中，一般用斯特劳哈尔数& ( s u h a ln u m b e r ) 来表示流动非定常性的强 弱，它表征了宏观流渤特征时间和振动溺期的比值0 4 。几乎所有的旋涡流勘都是菲定常 的，或者说，至少具有某种弱的非定常特性，涡旋波流动亦不例外。在研究涡旋波流动 大连理王大学硕学垃论文 蛇过程中，豫了无困次准数受黠涡旋渡滚动的形成噬及涡艇波滚动的蟪性骞熏要的影响 外，雷诺数船( r e y n o l d sn u m b e r ) 也是个非常羹蒙的准数，它表征了惯性力和粘性力的 比值，其定义分别为： ：堕，斯：丝1 r“ 式中：l 一振荡流最大平均流速，m 盎； 舡一硝道的特征尺寸，h i m ； q 一振荡频率，冀z ； v 一流体运动粘度，m 2 ，s 。 实验过程中，振荡流是通过往复泶实现的，入口速度为近似芷弦曲线流动。文献 2 】 在处瑾实验数蠡对，将这耪遗钕正弦噩蠡线流魂按正弦曲线流动楚壤，按这个假设，接荨 出的晟大流速为： u ：坐 加 ( i 2 ) 这耱迓戳处理，对予涡旋渡缝捣瓣分辑会带来一是误差，这静误差对意性分援影响 不大。将速度公式代入r e 数和研数的定义式可得： 蠢。：壁垒兰，一丝生 f 1 3 ) v # a p i 式中：爿p 一活塞面积，m 2 ； 女一活塞行穗，m w 一槽道宽殿，m 。 硪究袭明，& 数是涡旋波流动最关键的影响因素之，只有当数在适当范围时， j 能形成涡旋波流动。数不变，随着数的降低，旋涡尺寸增大，涡旋波的波长增 加，传质能力降低，但母数对流动的稳定性和能量损失没有影响。 另一方蟊，& 数对漏蕊渡流动豹澎确表嚣为：盛数不变，趣数增大，黠旋满尺寸 几乎没影口| ! i o 槽道内流体从三维平面流动转变成三维流动主要取决于r e 数，而数的 影喻缀小。s o b e y f j 9 2 h 在研究振荡沆的特性时，逶过对特定槽道的数值计算。结台舷 数，将甜数分为三个区域：小值、中使、大值，并讨论了这三种情况下非定常流动的特 点。 涡璇波秸l 生物菔髓器的剪纛力分布及佟瑷强纯 ( ) 在丈& 数莲域，处予熊融中黝流动受糕髓力静支配，菲愆常链骥攫，其滚动褥 点为：在个摭荡周翔中哭谢程减速阶段黼菜一时刻才发生遗羿趱分离，并髓流速的逐 濒减少，旋涡趵尺寸辔魏，不能形成漏麓波瀛动： ( 2 ) 在枣繇数鼷溅，流韵嶷繇主蔻港定常酌，流动特谴舄窟常流翱骰，逮撵裁霹以 用爨常的理论痰求解非定常的滚动，随整熙数的壤大，该隧域范豳趣小魏数方向移动； ( 3 ) 在介予这二者之阀的中更数嚣壤，流霸特点与上述鹾秘媾濑都不翱嘲，当流体 动力参数处予龀区域对，有可能在减速阶段观察刘较为显著酾涡旋波流动。 除了蕊数勰激这甄个凇数对涡糍渡流动黝形成以及满旋波溅虢黪黪娥蠢重螫的 影响井，耩澄的结构特糯和凡筒尺寸对漏凝波流动藏否形戚歉萁特犍也起熏纂俘耀。 淹了龌究涡麓波漉魂，s o b e y 棼人通过丈凝实验礤究了涡旋波滚动在多种不润形状和尺 寸的耩道中勰特注，遮鎏褴道戆构热蕊 。s 所示。s o 酶y 等人分剐避行了建常滚弱嚣是 常流辩舞睑分析，得崮结论如下：在定常流条件下，不论蔗对称槽邋还是非对称槽遒 蚩鼬数达到菜一蠛界馕翳重会褒檀遂突扩裁蠢抟攥蹙娃产生一个藏满，箕足寸睫数桶 螬擞丽辔勰；当鼬数增舰鳓男一妪赛馕对流动燮得不稳定，开翅陶勰滚袋鹱。对于 定参数条件菠辫蠹的攮蒋滚霸，凌非对称槽道的上、下壁鬻上会交替产生一系列旋涡， 主流程旋涡耀波状拣避，这些旋滤形娥鬣，它截域是停魁寝瓣来熟搜絮不动，袋是帮微 向上游移动一点，并越不论整在减速阶段迸是谯加速阶段，旋涡的尺寸都会增加，在流 遽为零对焚褥最大：释对手遮零孛溅动条嚣下，京对稼攫遒鹩上、下璧瓣上恣会产生累 捌旋灞，德遮双便鼹秘涡餐现象，并嚣溺蟪波溉础p j 。 ，厂、 厂1 飞厂 = 二j = 篓j 夏 一厂、， _ 厂 霸l ，5 k 种主要嚣檄避结擒 擎弛l ，s 强e 辩a 魏辩u c t l 靴毋曲8 艄e l s 遵过对番耱槽道鹈磷究裘蛹，稽遂韵尼秘澎欹瞧澍溺旋波流动鹃特性键一定的影 鞠。邀包捂改变稽道扩张韵角庭，翻觚鬣角变为4 5 。或瓣角，槽道申设置导流片，学浚 片鲍形状、闽距及鼓鼹方式簿。理论分攒裘明；糖遒扩张角艘越大，越容易形成涡麓波 三 大连理上大学预：十：学挺论文 流动，然蕊实验结粜却与理论分衔不一致，至于产生器强，目前尚没有合理解释。槽道 中设蓬导流片的闻艇越小，导流片闽产生静旋满的个数也随之减少，然而荜个旋涡的强 度却不断蠖大。露魏国於已蠢驰研究中攒邋的几键尺寸都e b 较小，蜷道数髓缝闻隙大替 为l 眺，最大不超过4 。 综上所述，涡旋波的形成需舞具备兰个条件：装鬣的几何尺寸发生改变；肖 振荡流通遭稽道；一定的触数翻& 数范圈：心数妁麓缀为( 1 0 2 ) 、& 数的赞级为( 1 0 能够形成涌旋渡。 1 14 满藐渡流动及装鬣的磷究现状 涡旋波作为一种特殊的流动现象，其流动机理的研究始子上世纪8 0 年代初。 8 e l l 酗s 。等l 卵3 年发鞠了离效麴膜集戴器凹。荚强学者s o b 霹l ”1 在1 9 黯簪对这静鹱黧 襞器姻流动鳞掏 莹了蜜验磅究，碧辔驹予数建诗弊，飙流虢魄理上分毒蓐了这莲孛流动能撬 离传质能力的原因。 麒装置的髂质黼力主要取决于膜本身的阻力和膜两侧流体的疆力。在埋 弋的膜生物 反应器中，膜两侧的流体阻力占主要地靛。利用振荡流和流道扩张可以产生璇涡分离， 孰 爵躐小膜附遥流体静浓度撵残，幢膜辫近懿流铸= 自l 够与远离膜瓣浚体充分浚合，达剥 了离散静矮矮效果。 9 0 年代柳，s o b e v p j j 等人制用上述原理将涡旋波流动与膜皱鼹棚结合，开发并设计 了一种新型的锅旋波膜装置，由于其嘏对于传统的膜装鼹舆有传质效率高等姆点，故引 超了辫内外众多学者的关注。 近年来，翻肉对漏艇波浚劫酌研炎也开始起步。在国褰爨然科学纂金壤鞫鹣资秘下， 大逡理工大学流俸与粉体互穗群究设主 。搿季# 用戮代秘v 测试技术鞠数莲攘藏手段簿次 对涡旋波的形成机瑗及流动规律进行了定量的分柝和研究，并把涡旋波流动技术与膜生 物反废器技术结合在起，列废滚处理灞旋波膜生物反应嚣开展了系统的虚溺基础研究 工作，为涡旋波膜生物反应器的应用提供了的理论依据和设计方法。 本蜡究蜜的研究镱暴表鞠：并菲只有纯静摄鞲流才缝形成满麓羧，在援演流的蹇戳 j 二鬟捆一般稳定流戳教萃商黼歇踩动流簿菲定常滚也胃疆澎成满旋波流魂，筑豹振溪流 正反趣滚动形成的凝涡以及主溅的波状滚动更为明显；旋涡自形成聪的大小和位置都是 蹙绽的，藤且有其囊盛麴规穆。裁三令旋涡蛉避动舰律都是先向下游运动，停鹫很短鲍 时阳：| 后，然厢向上游移动，旋涡的发展阶段集中在槽道正向入流的减速阶段，此阶段持 续时闻的长短会影晌涡旋渡流蛹中旋涡一些参数的变化，禹箍入流减速阶段静时长蓬肖 满藤渡骥生浆反癍秣起剪应力分毒盈抟鹱强纯 效控毒l 涡菠波流场懿关键因素，嚣且无论是涡羹逐是剪稿瘦变参数。翦瑟拿旋瀑郡明显 犬予后面的旋涡，因此前两个旋涡在流场中占据主要地位。 在涡旋波流场中旋涡的大小随着碰数的增大而减小，旋涡运动的距离随藿& 数的 增大两减小；丽蠢g 簸对满旋波流场中室旋灞静个数基本没有影响，隧若震g 数静增大， 次旋涡数量增加，主旋涡持续的时间增加，旋涡的位置略向上游移动，主流波长有所减 ，l 、。銎1 6 为本骚究整采用p v p a 蛀i e 王el m 8 9 。v o l o e i m e 缸) 对实鼯滚场懿热照缍果，濂 晰的展示了涡旋波在一个周期内的形成、发展和消失的规律。 a ) + | 讴 薷纛雾粪蒌薹1 l 、：三二、兰三三三兰兰基兰兰曼苎兰三兰曼：| 倍1 p = 02 2 慝霆鳖藿 f 轴p 。0 7 7 ( m ) f + 。o9 4 墨t 6 一个瘸瓣蠹漏旋波姚黟成发餍援撵 f i g ，l ，6f o m i n ga n dd e v e l o p i 赡p r o c e s so f v o 脚xw a v c 油ac y c i e 犬连理j 。大学硕士学健论文 通过黠漏旋渡漉炀中流勰参数的磷究发现，涡旋渡溅场的漏璧随羞时闻芦匏增加两 增加，当主流速度达到最大时，涡量并未达到最大，而是继续增加，当f + = 0 3 5 左右时， 即主流处于减速时，涡量达到最大值，之后随着p 的增加丽减小，在p = o5 时可达到最 低点；反两亦然，冀怒速# 鬟大菹的对捌为妒瑚8 左右。逶过对涡淀渡流场影嫡匿索豹 研究表明，舶数对涡旋波流动中涡量、剪切应变影响明显，当数较小时，m 数增加， 旋涡个数先增热螽减小；数对涡量帮葵切应交翳影蟪也e 较显募，数撼小，涡辘波 波长增加，旋涡个数增多，旋涡越向下游移动。 通过研究还可以发现，槽道的结构尺寸对涡旋波流场也有一定的影响。横道直角扩 张方式觅4 5 。扩张方裁更易形成满旋激流动，弱内鹊涡茧氇辎对较大；稽遴离菠越，j 、， 越厨形成涡旋波流动，场内的涡量也相对增大。在r p = 4 0 0 ，s 卢o 0 2 ，脏5 m m 的条件下， 扩张跑胰l ：l 。4 0 ：28 都能形残漏旋波；并且在獯道缝橡尺寸傈谖旋涡帮# 2 充分发葳酶 祭件下，主旋涡个数月与数的关系为： = o 。7 0 5 4 研“4 ”。 涡旋波流场中旋涡产生发展的机理可以用边界层的理论来分析。流场中篇1 个旋涡 的产生是幽于稽道截蕊突扩产生的遵压梯度造成的，第2 ，3 ，个旋涡蹙由于入流韵 减速产生的逆压梯度，靠近下游壁面的最后一个旋涡是由于面向米流的槽j 麓壁面阻止流 体流动产生躲莲压捞度焉形或数；著建遥过对凡耱楗莲道毒亍实验_ i 羹l | 试，揭汞了弱蓑渡流 动能强化传质的原因。正是由于在上下壁面处俄次形成的旋涡，缀过一段对间后不断长 大，最后充满整个槽遭，反商流动时，又将旋涡从中心挤向壁面，遮一过程搜得上壁霹、 下碴面以及槽道中心处的流体形成了强烈的对流，减小了浓差极纯，增强了质量交换， 因而有利于强化传赝。 在毙研究基础上，奉文露者设嚣了瘸子疫承生纯处毽翁溪麓渡膜生黪反应器熬实验 髅臀，并在不同实验条件下对其强化传递的效果系统地谶行了研究测试：本文也对反应 嚣中的剪切皮变及剪应力分糍状况进行了数值模拟，得出了一些霄参考价馕的结论。 1 1 。5 涡旋波流动的研究趋势 基前，二维搪道中定常浚动秘非定常流动的分离现象倍受关渡，对涡旋波流动的产 生条件、产生过程及其艇数和数的影响规律等也做出了一些研究及预测，关于涡旋 波流动的形成机理已经有了定量的研究结果。涡旋波流动作为一种特殊的流动现象，具 有蘸好的应灞翦景，可为纯王、生翰、医药、筇绦等萼亍渡小囊p 数条 睾下黥瀛动蠲爨箍 供强化传质的有效遗径。 近年采，关于濑旋波溅动的磷究主要集中在涡旋波流动的撬理研究帮理论分丰斤二， 在应用研究领域开磁的研究工作还很少，尤其怒把涡旋波流动的特性与某种装置结合起 涡旋波骥生物反斑器柏剪赢力分布聂蒋质强仡 柬，研究开发离效静过程装黄，燕满旋渡流动静研究趋势。涡旋渡流动与骥技术楣罐台， 就是这种磷究趋势的静新的尝试，遴过馥变骥装凝的结构尺寸和搽作参数，研究獒对 涡旋波睦裁的影日峨进蕊对装夏嚏流体薅切应力、# 量消耗及传壤 璺能等进行系统地礤 究，怒遭切雾舞研究积解决憋闷题。勰步的研究发现：袋装爨悫灼能量消裁筘与震8 数 有关1 ”，p 舶2 ，而与& 数几乎没有关系：而表征传质特性的鼢数与装避内的m 数 和& 数密切相关。因此，涡旋波流动装置的明显优势在于：它可以强化传藤，丽这羊中强 化却不会引起能量消耗的急蒯增加。 尽管国兆终对满旋波进行了一些鹊磷究，餐逐楚不够全鞭。茏其楚将涡麓波滚动与 传统麴骥生物发瘟嚣技术相续合，其强托蒋矮及反褒过糕楚定量鞭究工作满来觅弱狸芙 文献发表。本研究室研究设计了一种新型的用于废水生化处理的膜生物反应器废水 处理涡旋波膜叟物反应嚣，实现了涡藤波流动和貘装置的拽术结台，它不仅具肖膜生物 反应器在废水处理中的诸多优点，如分离效率高、出水水质# 4 j 好等；同时也解决了在低 震# 数条传下，强亿传质过程，降低流体糍耗，提辩污染翰瀚生甥降擀效率等技术难篷。 鬟蘸，痒势涡麓渡滚凌及装誊抟研究趋势之一，尽管这种辩蒸反波嚣懿洼戆磅究还楚在 实验研究阶段但芒! 经艘示出了较好的技术优势和潜在的成用前最。 谢鉴于贬，本文在涡旋波流动p i v 实验测试研究及数值模拟研究成果的基础上，立 足予应用基础研究，进行了两相流数缎模拟和废水处理实验研究工作，对涡旋波流劫装 置戆抟震及反巍过程静强纯戳及装置内赘留痘力瀚分布等淘蘧进行了定量分聿厅帮描述。 1 。2 奠生物殷应器 】2 ，1 膜生物殷应器鹣聪史 膜生物反应器( m b r ) 埕早出现在酶制剂工业中，1 9 6 8 年w a t l g 等成功的运用膜生物 反斑器制取酶截截。j 蕴年来膜生物反应器组合工艺在废水处理中的斑嗣格外 人注羁。 该工麓与传统废水生物处理工甍相比，幽于具有出水水藤优异、操作运行简单、污泥产 攀低、占蟪蕊积小等饯患髑，膜生物菠寂器在浮承链理静疯翔范围魏援模在不凝扩大帮 增翔。 在水处理中应用膜艇物反应器技术稍晚于酶制剂工业。把膜与生物工艺结台起米进 行污水处理的研究始予3 0 多年以前，丽膜生物反威嚣拘商业化应用也已经有2 年薛掰 史了 搠。s m i t h 等人( 1 9 6 9 ) 首次报道了在活性污泥法工艺中采用趟滤取代= 次沉淀池的 方法。该工蕊最 | 入旗罄翁鼹嗣貘分蔫技术取伐常嫣携活梭污泥_ 二流渣，蠲袋分离技术 停为她理擎露孛富集生物韵手羧，嚣不憝采耀辫麓秘虱滚籀环来增灏曝气泡串微生物翡 浓度。另一个早期搬道是h 划d t 等人，用一个l o 的妊氧生物反应器处璃合成废水， 大连理e 大学硬学位论文 滤瑕中用一个强湍趣滤摸索实现泥水分囊，其中瓣m l s s 浓度离达3 0 0 0 0 瑚彬，是豢援 好氧系统的2 3 倍，膜通量为7 5 e “m 2 - h ) ，c o o 去除率为9 8 。d o m o l i v e r 公司在2 0 世纪6 0 年代丌发了种膜污水处理工藏m s t ( m e m b r a l l es e w a g e1 - r c a t m e n t ) 。在该系统 中，污求避入悬浮生长的生耪爱应器中，并通过超滤骥缀件的抽暇 乍蠲连续密东。 2 0 世纪7 0 年代早期，美豳密执安州的t h e t f o r d 系统公司推出了自己的外置式膜分 蔫系统c 琳l o 。l & 工蕊蠲于家壤污承蛇处理。该系统采用嚣数污混姆氧一缺蕊流程，外 镯管式超滤髓来处理污水。1 9 7 4 1 9 8 2 年间，t h e f b r d 系统公司共安装了2 7 套c ”l e l e t 工艺产品。1 9 8 2 年，d o r r o l i v e r 公司应用膜厌载反应器系统( m a r s ) 来处理离浓度食品 废水。该芏艺采瘸外部循环怒滤膜，憩负荷繇g c m 。d - ，c 0 d 去除率达9 9 蔼。 与此同时，蕊国采用超滤膜和微滤膜研制了两套污水处理系统，其概念在南非得以进一 步发疑嚣形成厌氧淡纯超滤工艺( a d u f ) 。a d u f 畚统最翔管式越滤聚强溪，稳定状态 膜德量为3 7 3 l m 。h 1 ，固体浓度为5 0 盯s s 几。1 9 9 4 年t b e t f o 州系统公司与z e n o n 环境公司台井为z e n o n 市政系境公司。在8 0 年代束和9 0 年代初，z e n o n 环境公司继续 了美国的d o h 0 l i v e r 公司早期在工监污水处理领域的研究工作，磷镧成功了z e n 啪g e m 、 p o r n l a f l o w z _ 8 ( 由8 个内径2 4 m m 管式膜组成，膜面积8 ) 、z o e w e e d 镣一系列工 艺。特裂燕形盛z w 。1 4 5 ( 袋蘸辍1 3 ，5 产) 、z w ，l 筠( 鹱嚣获1 3 ，9 m 2 ) 、z w 一5 0 0 ( 膜 面积4 6 m 2 ) 、1 2 件组合z w - 1 5 0 ( 膜面积可达6 3 m 2 m 3 ) 、8 件组合z w - 5 0 0 ( 膜面积 e g 达1 4 6 m 2 ，甜) 等簌列产品，大大推动了m b r 技术的市场他进稷。 在m b r 的发展期间，其含义也得判拓展。k e i 垭b 斑硼e 等将两军串通过膜优仡生物反 应器的工艺也纳入了m b r 的范畴：即无泡曝气( b u b b k l e s sa e r a t i o n ) m b r 和萃取 f 。x 打矗c t i v 。) m b r ( 赶称e 磺b 袋) 。 1 2 2 膜生物反应器的分类及工艺特点 膜生秘蔽瘟器楚挹褒东生携处莲技术与簇分离技术荐辘结合浆生物纯学反应系统， 是一种新型商效的将水处理与回用工艺【2 8 ，主要由膜组件和膜生物反应器两部分构成。 大量的擞生物( 活性污溅) 在生甥反应器内与基质( 废水中霹蹲解蛉露枧4 i ! ) 充分 接触，通过氧化分解作用进行新陈代谢以维持自身生长、繁殖，同诤寸使有机污染物降辩。 膜组件通过机械筛分、截留替作用对废水和污泥混合液谶行囿液分离。大分子物质等被 浓缩后返毯整耪聂斑器，飘蔼避免了微生耱豹流失。生耪处理系绫窍簇分离缀徉静青租 结合，不仅提高了系统的出水水质和运行的稳定程度，还延长了难降解大分子物质在生 镄反应器中鹣水力襻露对闯，舾强了囊统对难晦鳃秘质的去除效暴。 涡旋波膜生物反应器的剪应力分布及传质强化 通常提到的膜生物反应器，实际是三类反应器的总称其运行方式如图1 7 所示，它 们是根据膜组件在m b r 中所起的作用的不同，可将膜生物反应器分为：膜一曝气生 物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ：用于高需氧量的废水处理；萃取 膜生物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) ：用于工业废水中优先污染物的处 理；膜分离生物反应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a i l eb i o r e a c t o r ，b s m b r ) ：用于截留 和分离固体。其中，膜分离生物反应器是应用最广泛的一种膜生物反应器类型。膜分离 生物反应器按照膜组件的放置方式可分为分体式和一体式膜生物反应器口“”】。 迸采 ( 丑) 蚵- 堆升高麒 生物厦舷器 哪瓤气幢删瞄生物反盘嚣+ 奉暖所示为瓣 着4 l ：氏盘辘礁的单榴中它奸雄柏慷抛 蹰l7 膜生物反应器三种运行方式 t 禽锕赣瓠翱 瞄年嚷嚷生物匣 艘群c 聃r ) f 1 917t h r e er u n n i n gm o d e so f m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( 1 ) 膜曝气生物反应器 膜曝气生物反应器最早见于c o t ep 等于1 9 8 8 年的报道。它采用透气性致密膜( 如 硅橡胶膜) 或微孔膜( 如疏水性聚合膜) ，以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压 低于泡点f b u b b l ep o i m ) 的情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。传统的曝气池氧的 利用率只有1 0 2 0 ，采用中空纤维膜管进行无泡鼓气，氧的利用率可接近1 0 0 。 由于传递的气体含在膜系统中，因此提高了接触时间，极大地提高了传氧效率。同时由 于气液两相被膜分开，有利于曝气工艺的更好控制，有效的将曝气和混合功能分开。因 为供氧面积一定，所以该工艺不受传统曝气系统中气泡大小及其停留时间等因素的影 响。图1 8 为膜曝气生物反应器示意图。 大连理工大学硕士学位论文 糊牡十 l生物反应罂1 l 口= = = = = = = i l 气体循环 图18 膜曝气生物反应器示意图 f i g 1 8s k e t c hm a po f m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r 图18 中，气液两相由膜隔开，膜为氧的传递和生物膜的增长提供了较高的表面积， 却只占生物反应器较小的体积，氧通过膜进入生物膜而不直接进入液相，因此不会使挥 发性有机物挥发，也不会发生泡沫现象。由于用于氧传递的表面积是固定的，因此可根 据实际供氧要求选择膜面积。膜一曝气生物反应器具有以下优点：( 1 ) 由于传递的气体含 在膜系统中，因此提高了接触时间，从而达到约1 0 0 的传氧效率；( 2 ) 由于气液两相被 膜分开，因此有利于曝气工艺的更好控制，即有效地将曝气和混合功能分开；( 3 ) 由于 供氧面积定，因此该工艺不受在传统的曝气系统中气泡大小及其停留时间等因素的影 响川。 ( 2 ) 萃取膜生物反应器 萃取膜生物反应器是结合膜萃取和生物降解，利用膜将有毒工业废水中有毒的、溶 解性差的与优先污染物从废水中萃取出来，然后用专性菌对其进行单独的生化降解，从 而使专性菌不受废水中离子强度和p h 值的影响，生物反应器的功能得到优化。图19 为萃取膜生物反应器示意图。 出水( 含浓缩 的无机质) f a ( b ) 废水 图】9 萃取膜生物反应器示意图 f i g l9s k e t c hm 印o f e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r 有机质 憔一舾枷苒j iq罐j气 虢一 瓣旌渡膜生物艇魔器的藏应力分_ 穗段僚质强他 黼1 9 ( a ) 所承，废求流翱生物舟质被礁橡胶隔开。溶解性麓的有机化台物可禳恢通 过礁，蕊菠承孛靛蠢秘秘袋不缝道避。避过黢瓣宵筑纯台镌可被徽生物簿解，掰这种微 生物是针对这些特辣有机物褥专门滤择豹。潮此废水牵的离子组分对微生物的降粲作趟 魏没霄影响了。黼l f 9 氇) 中簸斑器是凌个鼗统黪生物反应嚣连接。个具密攀激份翔鹣 餐竞式麟缀释擒袋，醚橡胶糕羧数摊捌予餐内，选择幢她将霄毒污絷貔