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水中絮凝体分形成长动态仿真技术研究

作　者: 郭航
导　师: 南军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 市政工程
关键词: 絮凝仿真分形结构三维DLA模型三维DLCA模型
分类号: TU991.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

絮凝是给水处理工艺的重要组成部分。絮凝工艺中形成絮体的粒度分布，结构以及强度对絮凝的最终效果以及后续工艺的运行及成本等有着直接的影响。观测评价絮体在絮凝过程中的变化，分析不同控制参数对絮凝效果的影响，是市政工程中需要研究的重要课题。絮凝工艺的影响因素众多，由于试验和检测手段的制约，使人们对絮凝机理的研究仍不是非常明确。为了实现对絮体的成长过程的描述，人们提出了多种絮体成长模型。本文通过比较不同模型的特点，选取了有限扩散单体凝聚模型（DLA）和有限扩散集团凝聚模型（DLCA），分别在Matlab平台上进行了三维空间内虚拟絮体生长过程的仿真。在仿真过程中，首先建立了虚拟絮体的评价方法，分别对模型中絮体的形态指标做出了评价，包括絮体的回转半径，分形维数，孔隙率等。固定仿真的边界条件，研究以上两种模型中絮体成长过程中絮体形态发生的变化规律。最后将模型中的控制参数与实际絮凝工艺的影响因素联系起来，通过改变模型中的控制参数，来分析实际絮凝工艺中不同影响因素对絮凝效果的影响。在三维DLA模型中，改变的控制变量包括释放的粒子数，初始释放半径，粒子碰撞后发生粘附的几率。在三维DLCA模型中，改变的控制变量包括初始颗粒的分布，初始颗粒的数量，系统中颗粒或团簇的运动方式。对三维DLA模型和三维DLCA模型中絮体成长过程进行对比，分析了二者的不同点，得出了三维DLCA模型要优于三维DLA模型的结论。将三维DLCA模型中得到的三维絮体图像进行了不同角度的二维投影，通过分析验证了实际絮凝过程中二维影像检测的合理性。在不同的运行工况下，分析实际絮凝过程中水体中颗粒物的数量和粒度分形维数随絮凝时间的变化规律，与三维DLCA仿真中得出的结论对比，验证了三维DLCA型的合理性，并进行了修正。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 絮凝技术在水处理中的应用及研究进展  11-12
  1.3 絮凝形态学及其研究现状  12-13
  1.4 仿真技术在絮凝中的研究现状  13-15
  1.5 课题的主要研究内容及意义  15-16
    1.5.1 课题来源  15
    1.5.2 研究内容  15
    1.5.3 研究意义  15-16
第2章研究方法及主要检测技术  16-22
  2.1 絮体的原位检测  16-17
  2.2 颗粒计数检测技术  17
  2.3 颗粒凝聚仿真实现  17-19
    2.3.1 仿真平台的选择  18
    2.3.2 仿真模型的选择  18-19
  2.4 三维 DLA 模型  19-20
    2.4.1 三维 DLA 模型的模拟机制  19
    2.4.2 三维 DLA 模型的屏蔽效应  19-20
    2.4.3 三维 DLA 模型的计算机算法  20
  2.5 三维 DLCA 模型  20-22
    2.5.1 三维 DLCA 模型的模拟机制  20-21
    2.5.2 三维 DLCA 模型的计算机算法  21-22
第3章三维 DLA 模型  22-39
  3.1 三维 DLA 模型的仿真流程图  22-23
  3.2 三维 DLA 模型生成絮体的形态表征  23-27
    3.2.1 絮体图像绘制  23
    3.2.2 絮体的回转半径  23-24
    3.2.3 絮体的分形维数  24-26
    3.2.4 絮体的孔隙率  26-27
    3.2.5 絮体的粘附率  27
  3.3 三维 DLA 模型絮体成长过程分析  27-32
    3.3.1 仿真条件设置  27
    3.3.2 絮体图像的变化  27-28
    3.3.3 回转分形维数的变化  28
    3.3.4 孔隙率的变化分析  28-30
    3.3.5 絮体长度及粘附率的变化  30-32
  3.4 三维 DLA 模型成长过程影响因素分析  32-37
    3.4.1 相同条件下生成絮体的对比  32-33
    3.4.2 投放粒子数对絮体成长的影响  33
    3.4.3 初始释放半径对絮体成长的影响  33-35
    3.4.4 粘附几率对絮凝过程的影响  35-37
  3.5 本章小结  37-39
第4章三维 DLCA 模型  39-68
  4.1 三维 DLCA 模型仿真流程图  39-40
  4.2 三维 DLCA 模型虚拟絮体形态分析  40-44
    4.2.1 团簇运动次数  40
    4.2.2 絮体的回转半径  40-41
    4.2.3 絮体的孔隙率  41
    4.2.4 絮体的回转分形维数  41-43
    4.2.5 絮体的粒度分形维数  43-44
  4.3 三维 DLCA 模型絮体成长过程的分析  44-57
    4.3.1 仿真条件设置  44
    4.3.2 团簇中粒子数与团簇半径的关系  44-46
    4.3.3 团簇数目随絮凝时间的变化  46-48
    4.3.4 粒径分布及系统中粒径的变化  48-52
    4.3.5 团簇长度的变化  52
    4.3.6 回转分形维数及孔隙率的变化  52-54
    4.3.7 粒度分形维数的变化  54-56
    4.3.8 单一絮体的成长过程  56-57
  4.4 三维 DLCA 模型絮体成长过程影响因素分析  57-67
    4.4.1 初始颗粒分布的影响  57-58
    4.4.2 初始颗粒物浓度的影响  58-61
    4.4.3 团簇布朗运动的影响  61-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章模型对比及实验验证  68-84
  5.1 三维 DLA 模型与三维 DLCA 模型对比  68-70
    5.1.1 絮体形态的对比  68-69
    5.1.2 模型粒子或团簇行走方式对比  69
    5.1.3 模型控制参数的对比  69-70
    5.1.4 模型控制的对比  70
  5.2 三维结构与二维投影之间的对应关系  70-73
    5.2.1 絮体投影分形维数计算  70-71
    5.2.2 三维絮体到二维平面的投影分析  71-73
  5.3 模型实验验证  73-79
    5.3.1 水中团簇数目的变化  73-77
    5.3.2 水中粒度分形维数的变化  77-79
  5.4 模型修正  79-83
  5.5 本章小结  83-84
结论  84-85
参考文献  85-91
致谢  91

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