一种基于圆柱扰流剪切效应的微小气泡发生装置的制作方法

本实用新型属于气泡发生技术领域，尤其涉及一种基于圆柱扰流剪切效应的微小气泡发生装置。

背景技术：

近年来，我国各地区出现了水环境严重污染，水中溶氧量过低导致大批鱼类及水生动物死亡等现象发生。国家和各地政府高度重视水问题，各地政府将“五水同治”相应的提高到国家战略级别，水资源的保护和再生利用对促进人类健康与环境保护具有重要意义。

微气泡的特点是气泡尺寸小、比表面积大、吸附率高、在水中滞留时间长，具有常规尺寸气泡所不具备的物理和化学特性。由于这种气泡能充分溶解于液相中，可有效的促进气液间的相互作用与质量传递过程，其应用备受关注，在水利、化工、能源及环境等领域具有很好的应用前景。

在自然界与各类工程应用中，大量、高效的产生微小气泡是解决问题的关键。高强度湍流扰动与剪切作用可以使大气泡充分破碎形成众多微小气泡，与传统的搅拌釜作用使大气泡破碎相比，利用圆柱扰流剪切效应产生微小气泡装置简单，运行及维护费用低，具有良好的经济效益和广泛的应用领域。在微气泡破碎的瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积储的化学能瞬间释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，可实现对水质的净化作用。同时，大量的微气泡溶解在水中可显著提高河流、湖泊、水库及海洋中的溶氧量，促进水中好氧生物的生长，加速对水中沉积垃圾的降解，并且可避免由于溶氧量过低而导致鱼类及水中动物死亡的现象。

技术实现要素：

本实用新型根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于圆柱扰流剪切效应的微小气泡发生装置，目的在于能高效、大量且安全的产生微小气泡，提高微气泡的废水处理、矿物浮选和水产养殖效果。

为了解决上述所存在的技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于圆柱扰流剪切效应的微小气泡发生装置，包括循环泵、气泡发生装置和管路，通过管路将储水系统依次与循环泵、气泡发生装置连接，形成一个回路；所述气泡发生装置包括前扩散段、整流段、收缩段、气泡发生段和后收缩段依次连接，所述气泡发生段对称设置若干组细管，细管的一端置于气泡发生段内部，另一端延伸至气泡发生段的外部，置于气泡发生段内部的每组细管的管口相对设置，且在气泡发生段内部的细管端部设有气泡破碎器，在位于气泡发生段外部的细管上设有阀门；所述整流段内设有整流器；

进一步，所述细管采用圆柱形铜管；

进一步，所述气泡破碎器为横向与纵向的横板阵列分布，形成在水平方向形成并列的通道，每个通道的横截面积大小相同；所述气泡破碎器的长度为细管插入气泡发生段内长度的1/2；

进一步，所述整流器由许多等截面小管道并列组成，所述小管道之间通过阻尼网固定。所述小管道的截面形状可以为方形、圆形或六角形，通过整流器能够改善气泡发生段的水流速度分布均匀性；

进一步，所述气泡发生装置还可以配有溶氧检测仪，用于对储水系统中气泡参数进行监测；

进一步，所述气泡发生装置还可以配套设有搅拌器，用于将产生的微气泡更好的分散在水环境中；

进一步，所述管路中还设有流量计，用于实时监测管路中的液体流速。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型通过设计的整流段内的整流器能够使得气泡发生段内水流速度分布均匀；

2、本实用新型通过对收缩段的设计使水流均匀加速、降低流动噪声以及节约能耗；

3、本实用新型气泡发生段通过插入的两根直管使气体进入系统中与水流作用，在管口设置气泡破碎器使气泡的初始尺寸较小，实现第一阶段破碎，其装置简洁、易于加工、效果明显；在圆柱尾流高强度的湍流扰动与剪切作用下，气泡发生第二阶段破碎，产生所需的微米级甚至纳米级尺寸气泡；当气泡进入储水系统时，通过设置搅拌器可使气泡更好的分散在环境水中。

4、本实用新型与实用型装置充分利用液体经过圆柱时产生的高强度尾流，气泡产生效率高、无污染，节约能耗；此外，流量计、阀门、循环泵均为成熟的产品，整个装置结果简单，安装方便，运行及维护费用较低。

附图说明

图1是本实用新型的整体装置结构示意图；

图2是本实用新型气泡发生装置的结构示意图；

图3是本实用新型气泡发生段示意图；

图4是本实用新型泡破碎器截面示意图；

图5是本实用新型整流器截面示意图；

图6是本实用新型气泡发生段的透明有机玻璃示意图；

图7是本实用新型实施例的气泡采集结果图，7(a)是在低水流速度工况气泡采集结果图，7(b)是在高水流速度工况气泡采集结果图；

图8是本实用新型实施例的气泡当量直径与脱离周期随水流速度的演化图；

图中，1.循环泵，2.前扩散段，3.整流段，4.收缩段，5.阀门A，6.通气口，7.细管，8.气泡发生段，9.后收缩段，10.流量计，11.阀门B，12.管道，13.阀门C，14.微气泡，15.溶氧量监测仪，16.搅拌器，17.气泡破碎器，18.整流器，19.阻尼网。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种基于圆柱扰流剪切效应的微小气泡发生装置，在管路与储水系统连接的进水口与排出口处分别设有阀门C13，阀门B11，调节管路阀门开度可控制主管路内水流速度；如图2所示，气泡发生装置包括前扩散段2、整流段3、收缩段4、气泡发生段8和后收缩段9依次通过法兰连接，前扩散段2是个渐变流道，且通过法兰连接进水管路与整流段3，实现管路与整流段3的平滑过渡，由于液体通过前扩散段2进入整流段3时，轴截面上的速度分布不均匀，如图5，在整流段3内设有整流器18，整流器18由许多方形、圆形或六角形等截面的小管道并列组成，且小管道之间通过阻尼网19固定，将原大流道内可能存在的大尺度旋涡分割成小尺度旋涡，小尺度旋涡有更快的衰减速度，这将加快水流中旋涡的衰减，对下游水流的稳定及湍流度的减小非常有利，从而起到了衰减旋涡、降低湍流度的作用；整流段3的另一端连接收缩段4，收缩段4是个渐变流道，能够使水流均匀加速、降低流动噪声以及节约能耗；收缩段4的另外一端通过法兰连接气泡发生段8，如图3所示，气泡发生段8的外壁上设置若干组插入气泡发生段8的细管7，细管7的一端置于气泡发生段8内部，另一端延伸至气泡发生段8的外部，为通气口6，置于气泡发生段8内部的每组细管7的管口相对设置，且在气泡发生段8内部的细管7端部设有气泡破碎器17，如图4所示，气泡破碎器17为横向与纵向的横板阵列分布，形成在水平方向形成并列的通道，每个通道的横截面积大小相同；且气泡破碎器17的长度为细管插入气泡发生段8内长度的1/2；在位于气泡发生段8外部的细管7上设有阀门5，在本实施例中，细管7采用圆柱形的铜管。在对储水系统中还可以配有溶氧检测仪15和搅拌器16。

为了更清楚的解释本实用新型的技术方案，以下结合本实用新型的工作过程作进一步的解释：

在工作过程中，

打开阀门C13、阀门B11，待液体充满整个循环回路时，开启循环泵1，在循环泵1的驱动下，此时回路中的液体都开始运动，将依次经过前扩散段2、整流段3、收缩段4、气泡发生段8和后收缩段9回到储水系统，

此时打开细管7上的阀门A5，通过通气口6向细管7中通入气体，该气体经过细管7中的气泡破碎器17后进入气泡发生段8，获得初始尺寸较小的气泡，实现第一阶段破碎；当气泡随着管道内的液流流向，在细管7的液体在经过圆柱钝体时，在圆柱的尾流中形成卡门涡街现象，在较高水流速度条件下，由于水流与通气管管口存在很强的剪切作用，且在通气管下游背面尾流区具有高强度的湍流脉动和旋涡剪切效应，气泡与水流接触后迅速破碎成为一系列雾化状态碎泡，此时气泡尺寸达到微米级甚至纳米级，气泡发生第二阶段破碎，产生所需的微米级甚至纳米级尺寸气泡。当气泡进入储水系统时，通过设置搅拌器可使气泡更好的分散在环境水中。

在本次实施例中，气泡发生段8上下前后四面均为透明有机玻璃，其结构示意图如图6所示。采用的参数为：水流速度范围为0.21m/s和4.04m/s，通气流量为1200mL/h，采集的实施例结果如图7所示，其中图(a)是在低水流速度工况，图(b)是在高水流速度工况，可以看出当水流速度较高时，大气泡充分破碎，呈雾化形态。随着水流速度的增大，圆柱尾流区域的湍流强度和速度梯度增大，气泡在轴向上逐渐向下迁移，大气泡在大尺度流动结构和强剪切流中破裂形成多个小气泡，气泡尺寸与生长周期减小，最终在雾化状态形成微米级的小气泡，其演化过程如图8所示。微气泡尺寸小，单位体积液体中气液两相间的接触面积大，气体可充分的溶解于液相介质中，能有效的促进能量和动量的传递，其应用备受关注。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。