曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法,并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况,应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量,获得了各种流体运动参数,并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时,气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度,氧转移速率和效率大大提高,这为曝气池选型提供了依据。     

The flow patterns of bubble plume in an MBBR

The flow patterns of the gas-liquid two-phase flow in a Moving-Bed Biofilm Reactor (MBBR) have a critical effect upon the mass transfer by the convection.Bubble plumes promote unsteadily fluctuating two-phase flows during the aeration.This article studies the unsteady structure of bubble plumes through experiments.The time-serial bubble plume images in various cases of the tank are analyzed.The Recursive Cross Correlation-Particle Image Velocimetry (RCC-PIV) is used to calculate the velocities in those cases, and then the time-serial vortex, the total turbulence intensity, the time-serial streamline are obtained.It is shown that the aspect ratio and the void fraction are the dominant factors influencing the unsteady structure of bubble plumes.When the aspect ratio is unity and the void fraction is high, the bubble plumes see a symmetrical vortex structure with a long residence time, which is beneficial for optimizing the aeration system and enhancing the applied range of bubble plumes.     

THE VELOCITY FIELD OF MULTIPHASE FLOW AND EFFICIENCY OF BIOLOGICAL AERATION FILTER

Aeration is an important factor affecting the biological aeration filter. With a set of experiment device specially designed for the purpose, and the particle image velocimetry technique, the velocity field of the gas-liquid two-phase flow is studied under different conditions. The various simulated aeration states were actually applied to the experimental device of sewage treatment, and the results of the numerical simulation were verified. The final experimental results indicate that the most efficient state occurs when the ratio of water in aeration tank h/w=1, the diameter of capillary tubes d=0.6mm and the velocity of bubbles v=0.3m/s.     

基于PIV测量技术的变曝气量下气液两相流速度场研究

粒子图像测速技术(PIV)作为一种无扰的全流场速度测量手段,在多相流研究领域具有较高的学术意义和实用价值。本研究针对曝气过程中的复杂气液两相流动,使用高速摄影机获取气液两相流流场的高帧图像,再通过图像预处理手段及PIV测速算法得到气液两相流速度场信息,并对不同工况下气液两相流的流态流速规律进行了研究分析。本文提出的图像预处理方案,通过采用图像的运动目标分割、降噪与反相等手段进行图像预处理,可以有效地减少后续速度场计算中的信息量及误差。研究结果为工业生产过程中有效提高曝气效率提供了重要的参考依据。     

曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟

气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。     

不同孔眼数量下曝气池中气液两相流数值模拟

曝气池是活性污泥处理系统中的核心处理构筑物,而曝气池中气液两相分布及其流动规律对曝气作用的影响又至关重要。本文运用FLUENT软件对曝气池内气液两相流动问题进行了数值模拟,并对比了相同的曝气量,不同的孔眼数量下,曝气池内气液两相的分布情况和流动规律,说明了在本文所模拟的工况下采用孔眼数量为五孔时曝气效率最高。     

曝气池内气液混合液两相流力学特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉多相流模型和标准k-ε湍流模型对曝气池内气液两相流力学特性进行数值模拟研究。速度与压力的耦合求解采用了Phase-Coupled-SIMPLE算法。对中心截面(y=0.025 m)在(z=0.71 m)测线上垂向速度的模拟值与实验值进行比较分析,结果吻合较好。结果表明:当表观气速较小时,进口气速对曝气池上方混合液的垂向速度影响较小;当表观气速较大时,整个曝气池中心截面(y=0.025 m)呈现中心垂向速度大,靠近两侧边壁的垂向速度小,且为负值的规律。并且发现气泡在上升的过程中由于附壁效应容易产生摆动,表观气速越大,附壁效应越明显。通过对曝气池内不同气体速度下池内力学特性的分析研究,以期对曝气池的设计运行提供参考。     

PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用

在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。     

基于图像二值化处理的气泡羽流不稳定结构分析

气泡羽流是在曝气过程中产生的一种复杂的两相流动。对气泡羽流中气泡速度信息的提取是粒子图像测速算法(PIV)的核心部分。速度信息的提取即数字图像的预处理过程。本研究主要是在读取灰度值后,通过大津法得到相应的最佳阈值分割点,再采用该灰度阈值对图像进行二值化,以此来减少噪声对流场的影响,降低图像后处理的难度,这是气泡羽流的运动规律研究的一个重要过程。图像的二值化处理能有效地提高PIV技术计算流场的精度,为研究气泡羽流在曝气过程中产生的不稳定结构奠定了基础。     

曝气池中气液两相流数值模拟

应用数值模拟的方法,对曝气池气液两相流运动规律进行了探讨。研究表明:当孔径相同,空气流量越大,紊动强度越大,气液混合越充分,曝气效果越好。对于相同的水深和相同的孔径,流量是影响气泡大小和速度的主要因素。当气体流量或速度增加时,气泡体积增大,气相速度也明显增大。     

Numerical study of flow fluctuation attenuation performance of a surge tank

The surge tank plays an important role in ensuring the stability of a water flow standard device. To study the influence of the structure and the working conditions on the regulator performance of a surge tank, a three-dimensional model, including a surge tank, the pipeline and the water tank is built, and the VOF model in the Fluent software is used to simulate the two-phase pulsatile flow in the surge tank. The inlet flow pulsation is defined by the User Defined Functions （UDF）, and the outlet flow is set to be a free jet. By calculating the flow fluctuation coefficient of the variation uader different flow conditions, the influences of the pulse frequency, the initial water level height and the baffle plate structure on the flow stability are analyzed. It is shown that the surge tank has a good attenuation effect on high-frequency pulsations, there is an optimal initial water level to suppress the fluctuations, the round holes of the baffle should ensure a certain circulation area with the bore diameter small enough to have the necessary damping effect.     

水平井筒变质量分散泡状流压降的理论与实验研究

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别，可以预知常规水平管流的压降计算方法对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展。本文对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程，考虑管壁存在人流或出流对于分层流流型压降的影响，得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流流型的压降计算方法。同时，设计并建立了水平井筒流体流动模拟实验装置，在轴向为气液两相流动的前提下分别进行了上管壁单孔眼注入和下管壁单孔眼注入的压降实验研究，获得了大量的实验数据。实验数据和理论计算结果吻合很好，这表明该计算方法具有实际应用价值。     

低比转速离心旋涡泵的气液混输汽蚀试验分析

提出了低比转速离心旋涡泵的叶轮设计方法,研制了具有诱导轮、复合离心叶轮和开式旋涡叶轮串联组合结构型式的低比转速离心旋涡泵样泵,并设计了气液混输泵闭式试验装置,进行了气液混输对汽蚀性能影响的试验;以清水汽蚀试验作为对照,分析了试验工况点的含气量和气液混合总流量两个关键因素变化对汽蚀性能的影响.试验结果表明,气液混输时泵的汽蚀性能陡降,且含气量越大,汽蚀性能越低;样泵适合在额定流量5m~3/h且含气量在0-0.42 m~3/h范围内进行气液混输.     

PIV TECHNIQUE AND ITS APPLICATION IN SHIP HYDRODYNAMICS

1.　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＢｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ,ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ,ｔｈｒｏｕｇｈａｂｏｕｔ20ｙｅａｒｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ),ＰＩＶ(Ｐａｒ?..     

辐流式沉淀池液固两相流力学特性三维数值模拟

采用两相流混合模型,选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对辐流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行三维数值模拟。采用有限体积法求解微分方程;紊动能、紊流耗散均采用Quick离散格式;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律,对沉淀池的设计有一定的参考价值。     

STABILITY OF VORTEX STREET IN GAS-LIQUID TWO-PHASE FLOW

The stability of the Karmen vortex street in gas-liquid two-phase flow was studied experimentally and theoretically. The values of the parameter h/l characterizing the vortex street structure (i. e. , the ratio of the vortex street width to the distance between two vortexes) for a stable vortex street in gas-liquid two-phase flow were obtained for the first time. The parameter h/l was prpved to be a variable, not a constant as in single-phase flow, h/l is related to the upstream fluid void fraction. In gas-liquid two-phase fluid flow to form a steady vortex street is more difficult than in a single-phase fluid flow. Because in the unsteady vortex shedding the vortex shedding band frequency is broader than the one in the single phase fluid flow, so it is easier to induce the cross-cylinder resonance than in the single phase fluid flow, and this case should give rise to the attention of engineers.     

圆管流掺气减阻理论研究

本文研究了圆管中气液分层层流、分层紊流及掺气混合紊流情况下的阻力减小规律。理论研究表明，圆管中的气液分层层流、分层紊流，即在近壁层内充以空气，可以在相同的水流量下，使阻力下降，实现减阻。而掺气混合紊流时，只有当壁面附近的含气浓度大于圆管中心处的含气浓度时，才能在相同水流量下，使阻力下降，实现减阻     

采用乳化空气泡做示踪粒子的PIV测速技术

本文介绍一种适用于水洞力学实验的采用乳化空气泡作为示踪粒子的ＰＩＶ测速技术。选用乳化空气泡做ＰＩＶ测速示踪粒子，取代了通常采用的固体颗粒，由两台ＹＡＧ大功率脉冲式激光光源组合系统做为ＰＩＶ底片记录的双脉冲曝光光源。乳化空气泡的最大优点是对实验水洞或水槽无污染，且产生方便、经济，又可以形成高质量的杨氏条纹图像。这一技术能够使得ＰＩＶ测速技术在水洞力学应用测量中真正达到实用。     

压力脉冲在井眼气－液两相流传播的数值模拟

本文对压井期间节流阀调节过程中压力脉冲在井眼环空气－液两相流中传播速度进行了数值模拟。建立并求解了一维拟线性双曲型偏微分方程组，从而能够给出气侵后环空气－液两相流分布和在压井期间的气－液两相流分布。同时导出了压力脉冲在气－液两相流中传播速度公式，给出了计算节流阀调节间隔计算方法。举例计算出了节流阀调节后压力脉冲经过钻柱泥浆及环空流体中传播时间。利用本方法可以适时调节节流问，使压井期间井底保持较恒定的压力，从而真正符合并控理论。