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水中絮体破碎/聚集形态演变及分形仿真研究

作　者: 乐名祥
导　师: 南军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 市政工程
关键词: 分形结构再絮凝 DLA模型仿真模拟
分类号: O661.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

絮凝是水处理过程中的关键环节之一,其效果的好坏直接关系到后续流程中的运行工况、出水质量以及成本费用,因此它始终是水处理工程中重要的研究领域。絮凝过程中,絮体结构与后期的固液分离密切相关,因而它一直是人们关注的热点。形成密度大、沉降性能好的絮体一直是水处理工作者的共同目的,然而在实际的水处理过程中,我们经常会碰到絮体破碎的情况,破碎后,絮体的结构会发生较大的变化。本课题以聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂、水中腐殖酸有机物和高岭土悬浮颗粒为去除对象,通过高像素数字摄像机对反应器内不断运动的絮体颗粒进行原位实时拍摄,研究在絮凝-破碎-再絮凝这一过程中,水力条件变化对絮体结构形态的影响及絮体分形结构的演变过程。研究结果表明,絮体破碎后,如果施加一定的水力搅动,絮体会有不同程度的恢复。高投药量下形成的絮体破碎后,经过再絮凝过程,絮体强度增强。较低的絮凝速度梯度和较高的再絮凝速度梯度,均有助于形成结构密实的絮体。基于扩散限制聚集(DLA)模型,通过改变总运动粒子数、运动路径以及粘结方式等条件,对絮体的成长过程进行了二维仿真模拟,并得到了一系列虚拟絮体图片。分析不同模拟条件下的虚拟絮体,可以计算其分形结构特征参数。研究表明,虚拟絮体与实际观察的絮体一样也具有分形结构特征。其分形维数和数密度随着总凝聚粒子数的增加呈现出下降的趋势,回转半径和空隙率随着总凝聚粒子数的增加呈现出逐渐上升的趋势。增加运动粒子的逃逸半径(k值较大时)或者采用最近邻(NN)粘结方式均有助于形成结构相对致密的絮体。对模拟得到的数据运用数理统计的方法进行了单因素和双因素方差分析,结果表明,粘结方式与总凝聚粒子数之间的交互作用对分形维数、数密度以及空隙率均没有显著的影响,而对絮体的回转半径有显著的影响。运动路径与总凝聚粒子数这两个因素之间没有交互作用。粘结方式对絮体的回转半径、分形维数、数密度以及空隙率均有显著的影响。总凝聚粒子数对絮体的回转半径、数密度以及空隙率均有显著的影响,而对絮体的分形维数没有显著的影响。粒子的运动路径对絮体的分形维数、数密度以及空隙率均没有显著的影响,而对絮体的回转半径影响显著。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 混凝研究发展概况  11-15
    1.2.1 混凝基础理论  11-12
    1.2.2 絮凝形态学  12-13
    1.2.3 分形理论  13-14
    1.2.4 絮体结构模型的发展  14-15
  1.3 絮体再絮凝及仿真模拟研究现状  15-18
    1.3.1 絮体再絮凝研究现状  15-17
    1.3.2 仿真模拟研究现状  17-18
  1.4 研究意义及内容  18-19
    1.4.1 研究意义  18
    1.4.2 研究内容  18
    1.4.3 课题来源  18-19
第2章试验仪器及检测方法  19-30
  2.1 试验仪器及技术参数  19-22
    2.1.1 试验仪器  19
    2.1.2 试验仪器技术参数  19-21
    2.1.3 试验材料与方法  21-22
  2.2 试验中应用的检测技术  22-24
    2.2.1 在线浊度检测技术  22-23
    2.2.2 絮体原位识别技术  23-24
  2.3 试验数据分析  24-29
    2.3.1 试验设计  24-25
    2.3.2 絮凝剂合理投加量的确定  25-26
    2.3.3 慢搅速度梯度优化  26
    2.3.4 絮体形态特征参数求取  26-28
    2.3.5 絮体平均粒径的计算  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章再絮凝过程絮体形态演变特征研究  30-57
  3.1 投药量对絮体形态及沉降性能的影响  30-37
    3.1.1 投药量对絮凝效果的影响  30-31
    3.1.2 投药量对絮体形态变化的影响  31-36
    3.1.3 投药量对絮体沉降性能的影响  36-37
  3.2 絮凝条件对絮体形态及沉降性能的影响  37-46
    3.2.1 絮凝强度的影响  37-42
    3.2.2 絮凝时间的影响  42-46
  3.3 再絮凝条件对絮体形态及沉降性能的影响  46-55
    3.3.1 再絮凝强度的影响  47-52
    3.3.2 再絮凝时间的影响  52-55
  3.4 本章小节  55-57
第4章絮体分形仿真模拟研究  57-79
  4.1 仿真模型的选择  57-59
    4.1.1 DLA模型及算法  57-58
    4.1.2 DLA模型的屏蔽效应  58-59
  4.2 虚拟絮体分形结构表征  59-64
    4.2.1 分形维数  59-60
    4.2.2 空隙率及数密度  60-61
    4.2.3 仿真实施细节  61-64
  4.3 絮体仿真模拟结果及分析  64-78
    4.3.1 总凝聚粒子数对絮体分形特征的影响  64-68
    4.3.2 粒子运动路径对絮体分形特征的影响  68-74
    4.3.3 粘结方式对絮体分形特征的影响  74-78
  4.4 本章小结  78-79
第5章仿真结果方差分析及絮体形态表征研究  79-95
  5.1 仿真结果方差分析  79-91
    5.1.1 单因素方差分析  79-83
    5.1.2 双因素方差分析  83-91
  5.2 虚拟絮体的形态表征  91-94
    5.2.1 絮体形态对比  91-92
    5.2.2 絮体结构重组  92-94
  5.3 本章小结  94-95
结论  95-97
参考文献  97-102
致谢  102

水中絮体破碎/聚集形态演变及分形仿真研究

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