液体连续相撞击流反应器流场及其测量系统研究

论文摘要

在电厂循环水中的有机物可使微生物生长,形成有机附着物如藻类。水系统微生物的大量繁殖将在换热面产生生物沉积物,如果不进行水处理,将产生严重的结垢问题,影响电厂的安全经济运行。早期的循环水杀菌灭藻一般采用加氯处理。加氯对一些有氨的水效果很差,而且有氯胺类污染物产生,随着水资源的日益短缺和环保要求的日益严格,在应用中逐渐被新技术取代。目前一般采用加杀生剂的方法对循环水进行杀菌灭藻处理,杀生剂分为氧化型和非氧化型两种。前者主要有液氯、漂白粉、二氧化氯、臭氧等,后者主要有氯代酚类、季胺盐类和丙烯醛类等。无论选用哪种杀生剂,都或多或少存在一些缺点。如二氧化氯,虽然杀菌效果不受PH值的影响,除杀菌灭菌外还可杀死孢子和病毒,但加药操作麻烦,药物降减缓慢,见效不明显,且高浓度药剂不稳定,药剂浓度太稀又不便运输,且不易存放,有效期太短。再如氯代酚类,虽然加药方便,效果较好,但对人的眼、鼻黏膜及皮肤有刺激性,排入水域后会造成环境污染。而季胺盐类见效快且持久性较好,有剥离作用,效果较好,且操作方便,但加药量大,药液易起泡,要求循环水含盐量不宜太高。本课题旨在研究一种新的物理方法对循环水进行灭藻处理,设计并制造了实验用液体连续相撞击流反应器,以期利用撞击流反应器内两股流体相向运动产生的强烈撞击和剪切力来杀死藻类细胞,以达到灭藻的目的。为此,需要对撞击流反应器内部流场进行深入细致的研究。本文首先对液体连续相撞击流流场进行了理论研究,建立了液体连续相撞击流数学模型；然后,利用Fluent软件的前处理软件Gambit建立了液体连续相撞击流反应器的几何模型和物理模型,进而利用Fluent软件对其内部的流场进行数值模拟；为确定最优操作条件,优化结构提供了有用的信息。最后设计并建立了一套液体连续相撞击流反应器内部流场PIV测量实验装置,实现了流场无接触瞬时测量。流场的测量是工业装置设计和放大的基础,因此为了为液体连续相撞击流反应器设计放大并实现工业应用提供有用的数据,建立了与传统的PIV系统不同的双色光源PIV流场测量系统,将流场的变化记录在一个彩色图像上,只要光源的功率足够大,就可以记录流场的高速变化,且对象位置与时间的关联明确,无须先验知识,实现了流场无接触瞬时测量,为撞击流流场的测量提供了一种简洁方便,精度可靠的方法。双色光源PⅣ流场测量系统的建立包含如下内容：①PIV测量系统的硬件组成结构设计。采用了双色光源,红色闪光在前,绿色闪光在后,将流场的变化记录在一个彩色图像上,只要光源的功率足够大,就可以记录流场的高速变化,且对象位置与时间的关联明确,无须先验知识。在当前的技术条件下,可以很方便地将原图像分离为一幅红色图像和一幅绿色图像,更加便于相关检测,同时也大大降低了费用②PIV测量系统的软件编制。计算机的控制程序实现了与单片机上的控制程序通信和人机交互。③PIV测量系统激光光刀的光电设计。提出了一种大相对孔径的半导体激光准直镜结构,设计了镜头参数,同时设计了脉冲调制激光管驱动电路,所设计的准直镜结构简单,尺寸小,激光管输出光能量利用率达90%,所设计的驱动电路工作稳定,可根据需要连续输出周期和脉宽精确可调的激光脉冲。上述特点使本光电设计不但适用于PIV系统,也可应用于激光扫描、激光测距等应用领域。④PIV测量系统坐标转换方法研究。为了实现由序列图像解算真实流场数据,设计了应用人工神经网络的坐标转换方法,该方法将一画有标准间距网格的平板放置在透明圆桶内,网格平面通过筒体轴线,容器内充满水,数字摄像机固定在容器外,光轴垂直于网格平面,借助软件工具从网格图像中得到用于训练人工神经网络的训练矢量集合,完成训练的网络可以液体内被测平面的象素坐标正确地转换为真实坐标。⑤PIV测量系统流场图像处理及测速方法的研究。主要从图像分离、粒子图像复原、图像增强去噪、分割、模式匹配和骨架抽取等方面作了阐述,并讨论了Bayer到RGB的转换、流场图像预处理和速度计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 撞击流技术的发展及应用
• 1.2.1 撞击流技术的沿革与特点
• 1.2.2 撞击流技术的应用研究现状及发展趋势
• 1.3 PIV和相关的图像测量技术国内外研究现状
• 1.3.1 PIV技术
• 1.3.2 数字图像处理技术
• 1.3.3 模式匹配
• 1.4 PIV和相关的图像测量技术的发展及应用
• 1.4.1 数字粒子图像测速
• 1.4.2 高速DPIV
• 1.4.3 电影PIV
• 1.4.4 全息PIV
• 1.4.5 图像转换PIV
• 1.5 本课题研究的特点和主要内容
• 1.5.1 本课题研究的特点
• 1.5.2 本课题研究的主要内容
• 第二章 液体连续相撞击流模型的研究
• 2.1 液体连续相撞击流物理模型
• 2.2 液体连续相撞击流正向撞击力模型研究
• 2.2.1 撞击区附近的曲面方程
• 2.2.2 两球状弹性体等距离曲线方程
• 2.2.3 两球状弹性体撞击问题的位移方程
• 2.2.4 球状弹性体最大撞击力
• 2.3 液流体连续相撞击流流场分析及侧向剪切力
• 2.3.1 液体连续相撞击流基本方程
• 2.3.2 液体连续相撞击流横向撞击脉动速度
• 2.3.3 液体连续相撞击流撞击紊动剪切应力
• 2.3.4 液体连续相撞击流流场分析及剪切力
• 2.4 本章小结
• 第三章 撞击流流场的计算流体力学模拟
• 3.1 流体力学计算模型
• 3.2 流体力学计算软件介绍
• 3.3 Fluent模拟计算
• 3.3.1 模型的简化及计算域的离散化
• 3.3.2 模拟计算及结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 双色光源PIV测量系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置
• 4.3 PIV图像采集系统的硬件组成
• 4.3.1 数字摄像机
• 4.3.2 激光器
• 4.3.3 闪光控制器
• 4.4 控制软件
• 4.4.1 单片机软件
• 4.4.2 主机软件
• 4.5 本章小结
• 第五章 PIV测量系统中激光光刀的光电设计
• 5.1 引言
• 5.2 大相对孔径激光准直物镜的设计
• 5.2.1 半导体激光束经圆孔的耦合效率
• 5.2.2 三片式大相对孔径激光准直物镜的设计
• 5.3 LD稳功率驱动电路设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 PIV测量系统中坐标转换方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 双m次多项式插值坐标变换法
• 6.3 应用神经网络的坐标变换方法
• 6.4 实际效果
• 6.4.1 训练矢量集的获取
• 6.4.2 训练软件
• 6.4.3 训练效果
• 6.5 本章小结
• 第七章 流场图像处理及测速方法
• 7.1 引言
• 7.2 图像彩色插值与分离
• 7.2.1 BMP图像文件格式
• 7.2.2 图像分离的实现
• 7.3 粒子图像的复原
• 7.4 图像的增强
• 7.4.1 对比度展宽
• 7.4.2 邻域平均法
• 7.4.3 中值滤波法
• 7.5 图像的分割
• 7.5.1 基于边界的分割方法
• 7.5.2 阈值方法分割图像
• 7.6 模式匹配
• 7.6.1 模式匹配算法
• 7.6.2 基于灰度的快速匹配算法
• 7.6.3 模式匹配程序的实现
• 7.7 骨架抽取
• 7.8 测速基本过程
• 7.8.1 标记流场
• 7.8.2 计算速度
• 7.8.3 滤除结果
• 7.8.4 观察结果
• 7.9 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论著
• 附录A 单片机源程序
• 附录B 闪光控制程序