工厂化循环水养殖臭氧消毒设备的研究.pdf

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1、l 试验结束后将数据导入E X C E L 进行分析。自动化的数据采集系统避免了人工采样 产生的误差，提高了此类试验的自动化水平。 关键字：臭氧消毒，射流器，计算流体动力学，可编程控制器 上海海洋大学硕士学位论文 T h eR e s e a r c ho fO z o n eD i s i n f e c t i o nE q u i p m e n t i nt h eF i s h R e c i r c u l a t i n gC u l t u r e A b s 仃a c t I n d u s t r i a l r e c i r c u l a t i n ga q u a

2、 c u l t u r ei sa na d v a n c e dm o d e lo fa q u 。l c u l t u r et 1 1 a t i n t e g r a t e sw i t he n g i n e e r i n g ，w a t e r - d i s p o s a la n db i o l o g y T h em a i nc k 哦l C t e r i s t i c o f r e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r ei sh i g hd e n s i t y , n o n - p o l

3、 l u t e d ，r c s o u I e c o n s e r v i n g a 1 1 dt h e d e V e l o p m e mt r e n do fa q u a c u l t u r ei nt h ef u t u r e T h ek e yo fi n d u s t r i a lr e c i r c u l a t i n g a q u a c u l 慨i st h es y s t e mo fw a t e rt r e a t m e n t ，i n c l u d i n gt h ef i l t e r i n ga n ds

4、e p 锄觚o no f s u s p e n d e ds o l i d s ，t h ed i s i n f e c t i o no fw a t e ra n dt h ec o n t r o ls y s t e mo f o t h e rw a t e rq u a l i t y p 猢e t e r s D i s i n f e c t i o ni st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g i e si nw 砷e r 眈a t m e n t I tc a nk e e pt h

5、ew a t e rc l e a nb yk i l l i n gh a r m f u l m i c r o o r g a n i s m sa n ds a v e r e s o u r c e sa n dr e d u c ec o s t T 、 一 上O rd i s i n f e c t i o n , s o m ed r u g sa r eu s u a l l yu s e di n f l e s hw a t e ra q u a c u l t u r ei no u r c o u n t r y ， s u c ha sb l e a c h e r

6、 ，C u S 0 4 ，p e r m a n g a n a t ep o t a s s i u m ，a n dc h l o r i I l e B u tt l l o s e d r u g sa r ep o i s o n o u sa f t e ra 1 1 I ft h e s et h i n g sa r eu e s di n c o r r e c t l yo re x c e s s i v e l y ，t h e r e m a i no ft h ed r u g si sh a r m f u lt of i s ha n dp e o p l e

7、T h e r e f o r e ，o z o n ed i s i n f e c t i o nl l a s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nf o ri t s s a f e t y O z o n eh a ss t r o n go x i d a t i o na b o u t6 0 0 , 3 0 0 0 t i m e sa sm u c ha sc h l o r i n e O z o n ei sh i g h e re f f i c i e n t ，m o r ee n v i r o I l 】m e n

8、t a l d i s i n f e c t 锄1 t b e c a u s et h er e s i d u a lo z o n em a y s e p a r a t et oo x y g e ns o o n O z o n ei sv e r yu n s t a b l ea n dn o ta b l et o s t o r el i k eo t h e rg a s e s I ts h o u l db em a d e d u r i n gt h ep r o c e s so fd i s i n f e c t i o na n dn e e ds p

9、e c i a le q u i p m e n tt om i xi nt l l ew a t e r ，n ：l i s r e s e a r c h d e s i g n e ds p e c i a le q u i p m e n tf o rm i x i n go z o n ea n dw a t e r I ti n c l u d et h e c h a r a c t e r i s t i c so fj e ta e r a t o ra n dS p e e c ec o n ew h i c hh a s as i m p l es 仃u c t u r

10、e e f f i c i e n t m i x i n ga n dr e s i s t a n c et ob l o c k T h i se q u i p m e n ti sb e t t e rt h a nn o r m a lp a c k e dc o h l m ni I l s i z ea n de f f i c i e n c y W eu s e dt h ea d v a n t a g eo fc o m p u t e rt o c o m b i n et h e t h e o r e t i cc a l c u l a t i o nw i t

11、 h 上海海洋大学硕士学位论文 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( C F D ) T h er e s u l to fC F D w a su s e dt ot e s ta n di m p r o v e d t h ec o m p u t a t i o n a ls i z et om a k es u r et h a tt h em i x i n gr e s u l to fe j e c t o rW a sb e s t W ea l s o d i de x p e r i m e n tt oc

12、 h e c kt h es i z ew ed e s i g n e d T h e s ep r o c e s sw a san e ww a yf o r d e s i g n i n g ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n , m a n u f a c t u r ea n de x p e r i m e n t G e n e r a lo z o n ed i s i n f e c t a n te q u i p m e n td i dn o tu s et h eu n d i s s o l v e dg

13、a s W ed e s i g n e d t h ed e v i c et or e c y c l et h e s eg a sf r o mt a n ki n t oi n l e tp o r t I ti m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o nr a t e o fo z o n ea n dc o s tr e d u c t i o n W ed e v e l o p e das y s t e mb a s e do nt h eP L Ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e

14、t ot e s tt h e c o n c e n t r a t i o no fo z o n e W eu s e ds e n s o rt oc o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no fo z o n ei nw a t e ra n d w r i t ear e p o r ti nt h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m T h ed a t aw o u l db ed e l i v e r e dt o E X C E Lt oa n a l y s i sa f

15、t e rt h ee x p e r i m e n t T h ea u t o m a t i cD a t a - p r o c e s s i n gS y s t e m r e d u c e dt h ee r r o ro fa r t i f i c i a ls a m p l i n ga n di m p r o v e dt h el e v e lo fa u t o m a t i o na n d a c c u r a c yi nt h ee x p e r i m e n t K E YW O R D S ：o z o n ed i s i n f e

16、 c t i o n , e j e c t o r , C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ， P r o g r a m m a b l eL o g i c C o n t r o l l e r 上海海洋大学硕士学位论文 目录 摘要i 英文摘要i i i 第一章引言1 1 1 研究目的和意义1 1 2 臭氧在水产养殖中的应用1 1 2 1 臭氧的基本特性1 1 2 2 臭氧在循环水养殖上的应用2 1 2 3 臭氧消毒的应用途径3 1 3 国内外的研究进展4 1 4 本研究的任务及创新5 第二章射流器基础理论与设计方法。6

17、2 1 射流器的研究6 2 1 1 射流器的理论基础6 2 1 2 射流器的设计方法7 2 2 射流器流体动力学仿真8 2 2 1 。流体动力学软件F L U E N T 8 2 2 2 对喷射器的C F D 研究1 0 第三章臭氧混合设备的设计1 l 3 1 臭氧混合设备的设计方案1 1 3 2 射流器的设计1 2 3 2 1 射流器结构设计1 2 3 2 2 射流器尺寸的设计计算1 3 3 3 射流器的流体动力学仿真研究15 3 3 1 数学模型的建立1 6 3 3 2 网格划分17 3 3 3 边界条件和求解参数的设置1 7 3 3 4 C F D 仿真结果18 3 4 混合罐结构与尺寸

18、设计2 2 3 5 监控系统的开发2 3 ? 上海海洋大学硕士学位论文 3 5 1 历史趋势曲线控件窗口2 3 3 5 2 报表窗口2 4 3 5 3 数据导出窗口2 4 第四章臭氧混合设备性能试验2 5 4 1 射流器混合管优选试验2 5 4 2 以纯氧为气源的系统试验2 7 4 3 以臭氧为气源的试验2 9 第五章结果与讨论3 2 5 1 射流器尺寸设计3 2 5 2 数值仿真设计分析3 2 5 3 臭氧混合情况分析3 3 5 4 臭氧混合设备的实用性能3 4 参考文献3 5 附j 素3 8 致谢词4 3 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章引言弟一早亏l 苗 鱼类的循

19、环水养殖是从2 0 世纪中期发展起来的一种高密度养殖方法，也称为 设施渔业或工厂化养殖( 英文名r e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r e ) 。它集养殖设施， 水质净化，工业控制技术于一体，将水产养殖变成标准的工业化流程 卜1 0 ，使养 殖对象处于高度可控的状态下，通过创造出最适宜养殖品种生长的水体环境，使 养殖品种在最佳环境下达到最快的生长速度，从而使单位体积水体产量获得提高。 相比于传统的养殖模式，工厂化养殖的养殖密度高，有利于节约土地资源；用水 量大大减少，降低了水资源的消耗；具有饲养密度大，投入资金多，生产效益高 的特点。 在循环水

20、养殖过程中，养殖水体的消毒杀菌和水质净化是其中最重要的组成部 分，因为循环水养殖模式条件下每天只有1 0 左右的补充水源，系统将养殖水体净 化处理后循环重复使用。在养殖系统中对水体主要有害物质进行处理和去除要用 到生物、物理、化学、机械、电子、自动化方面的专业理论和技术，应用这些理 论与技术来建立养殖水体的处理、净化、消毒系统，使避免养殖废水直接排放所 造成的环境污染，这对于水产养殖向“资源节约、环境友好型生产方式的转变 具有十分重要的意义。 1 2 臭氧在水产养殖中的应用 1 2 1 臭氧的基本特性 臭氧( 0 3 ) 在常温下为蓝色气体，有刺激性特殊气味；液态时为蓝黑色，其熔 点为一1 9

21、 2 5 0 4 “ C ( 7 6 0m m H g ) ，沸点为一1 1 1 9 0 3 “ C ( 7 6 0m m H g ) ，气体密度 2 1 4 4 9 1 ，溶解度为0 6 8 9 1 ，溶解系数为0 3 2 。理论上0 3 的溶解度随温度的升高 而降低，它对紫外线的最大吸收波长为2 5 4 n l n ，工作环境中允许的最大浓度T C V 0 1 1 0 - 6 ；在标准压力和温度下，其溶解度比氧大1 3 倍，比空气大2 5 倍。和其他 气体一样，臭氧在水中符合亨利定律，即在一定温度下，任何气体溶解于一定液 得多，在含有杂质的水溶液中能迅速回复到氧气的状态，其衰期为卜3 0r

22、 a i n ，自 身分解成氧气，若水温接近O C 时能更稳定些。 臭氧的氧化能力极强，其氧化还原电位仅次于F 2 ，比氧、氯、二氧化氯及高锰 酸钾等氧化剂都要高，是常用氧化剂中氧化能力最强的。臭氧发生氧化反应后生 成氧气，没有残留的有害物质，这一重要的优点使臭氧成为高效无二次污染的消 毒剂。 由于臭氧在空气和水中的不稳定性，不能储存和运输，养殖水体处理使用的臭 氧气体必须现场制备并溶解到水体中。因此，臭氧的制备技术和在水中的溶解技 术是利用臭氧的关键技术。本研究利用臭氧发生器制取臭氧，通过研制臭氧气体 在养殖水体的溶解设备和技术来达到实际应用的目的。 1 2 2 臭氧在循环水养殖上的应用 对

23、于臭氧在水产养殖水体中的应用已经有一些研究报道。主要根据臭氧的分解 产物是一些分子态氧和具有高度活性的自由基特性，利用这些高度活性的特点， 在养殖水体的处理中被用于杀菌消毒、破坏有机物结构、氧化氨氮、凝聚悬浮物 等等。由于臭氧副产物无毒，基本无二次污染，有着许多别的氧化剂无法比拟的 优点。因此，开发臭氧在养殖水体处理上的应用技术，对于工厂化水产养殖具有 重要意义。 ( 1 ) 消毒杀菌 臭氧属于溶菌性消毒剂，用于杀菌消毒可以达到彻底、永久地消灭物体内 部所有微生物。其原理是利用臭氧能破坏或溶解微生物的细胞壁，迅速地扩散到 细胞内部，氧化破坏细胞内酶，使细胞发生通透性畸变，导致其溶解死亡。其消

24、毒作用是瞬时的、彻底的，与传统的C 1 2 相比，臭氧杀菌能力是其6 0 0 “ - - , 3 0 0 0 倍。 研究资料表明，作用时间1 秒内，水中臭氧浓度2 3m g L 就足以杀死所有的大 2 上海海洋大学硕士学位论文 肠菌 1 1 ；在2 0 “ C 条件下，用臭氧水( 0 1 5 m g L ) 每天处理i 0m i n ，就以有效控制 鱼类发霉卵的真菌病。臭氧消毒具有以下两个重要的特点：一是高效性：臭氧消 毒不需要其他任何辅助材料和添加剂。消毒进行时臭氧发生装置产生一定量的臭 氧，在相对密封的环境下，扩散均匀，包容性、通透性好，克服了紫外线杀菌存 在的消毒死角的问题，达到全方位、

25、快速、高效的消毒杀菌目的。另外，由于它 的灭菌广谱，既可以杀灭细菌繁殖体、芽胞、病毒、真菌和原虫孢体等多种微生 物，还可以破坏肉毒杆菌和毒素，同时还具有很强的除霉、腥、臭等异味的功能。 二是高洁性：臭氧在环境中可自然分解为氧，这是臭氧作为消毒灭菌剂的独特优 点。臭氧是利用空气中的氧气产生的，消毒氧化过程中，臭氧发生氧化反应后又 重新生成氧气( 0 2 ) ，不存在任何残留。 ( 2 ) 臭氧氧化氨氮 臭氧作为强氧化剂应用于工厂化水产养殖水体的氨氮氧化具有很好效果。研 究表明，在正常条件的条件下，臭氧可直接把2 5 8 1 2 的氨氮氧化：在加入催化剂 的条件下，可大幅度提高其氧化效率，降解效率

26、可达5 0 1 1 3 。催化臭氧还能够氧 化或降解不能被直接氧化或降解的难降解有机物，从而降低了养殖水体有机物处 理的难度。 ( 3 ) 臭氧净化水质、凝聚悬浮物 利用臭氧的氧化作用，能破坏发色基团的不饱和键，打破发色基团和助色基 团的共轭体系，将其氧化成小分子的有机物或无机物，使其失去发色能力，达到 减少养殖水体浑浊度、清洁水质的目的；臭氧氧化能将无机金属离子氧化成高价 离子沉淀出来，使养殖水体悬浮物不断凝聚、沉淀，达到净化的目的I t 4 。 1 2 3 臭氧消毒的应用途径 在工厂化水产养殖中利用臭氧进行消毒杀菌，要具备一些设备条件，主要设 备有臭氧发生设备、臭氧在水体中的溶解设备，以及

27、臭氧溶解浓度的检测和调节 设备等。 目前臭氧发生器主要有三种：高压放电式，紫外线式，电解式。这几种发生 器中高压放电式发生器应用最为广泛，它是利用一定频率的高压电流制造高压电 晕电场，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应，从而制造臭氧；这类发 生器技术成熟，工作稳定，是行业中使用最广泛的设备。紫外线式发生器是利用 特定波长的紫外线照射氧分子使之分解而产生臭氧，常用于封闭空间内的消毒。 电解式发生器通过电解纯净水而产生臭氧，这种发生器成本低但产生的臭氧不易 收集，应用范围受到限制。 3 上海海洋大学硕士学位论文 将产生的臭氧溶于水需要专用的设备，一般国内最常用的是填料塔式接触器， 即水从接触

28、塔的底部进入，从上部流出，在塔中设置有减缓流速的装置以增加水 流与臭氧的接触时间，在水流与臭氧充分混合后再将水排出，此类接触器的优点 是易于建造且成本低廉，缺点是体积大，臭氧的溶解率低。其他的臭氧一水接触 反应装置有涡轮混合器，射流器等，其中射流器是一种已经广泛应用于生产中的 接触反应装置，它利用高速水流喷出时产生的负压抽吸臭氧气体使之与水混合， 具有结构简单，易于维护等特点，但由于射流器内部的流动状态非常复杂，所以 目前还没有很准确的设计规范对射流器进行设计。 此课题研究的目的就是研制一种能够产生高浓度臭氧水的设备，将其应用于 工厂化养殖水体的消毒与净化，还兼有水体增氧的作用。在设计过程中利

29、用索科 洛夫的设计理论对射流器进行设计计算，得出关键部位的尺寸数据；利用计算流 体动力学( C F D ) 软件F L U E N T 对所设计的射流器进行流体动力学仿真，找出混合 效果最好的尺寸组合；通过以空气为气源的试验验证仿真的结果，通过纯氧增氧 试验验证整套系统的工作状况和设计原理，最后做臭氧消毒试验，检验产生的臭 氧水浓度是否达到要求。 1 3 国内外的研究进展 国外关于养殖水体臭氧消毒的研究早已展开，其中s t e v e nT s u m m e r f e l t 曾在文章中提出了利用臭氧对循环水养殖的水体消毒的方法，主要是利用一种增 氧的装置S p e e c e 锥( 国内

30、称溶氧锥或曝气锥) 来混合臭氧和水，得到高浓度( 大 约0 1 一O 2 m g L ) 的臭氧水溶液【1 5 1 ；消毒使用后的高浓度臭氧水对生物有毒性， 研究人员又设计了紫外线装置来消除水中的剩余臭氧，使浓度降低到0 O l m g L 。 关于混合装置S p e e c e 锥的尺寸与结构设计，D a n i e lF M c G i n n i s 和J o h nC L i t t l e 为S p e e c e 锥建立了动态模型 1 6 】，方便设计者进行初始尺寸设计和最优化 选择。 国内在养殖水体中使用臭氧消毒的研究很少见，在实际生产中的臭氧混合装 置大部分是鼓泡塔式接触反应器

31、，这种鼓泡塔大部分高3 米以上，不适于移动和 日常的维护操作。国内大学也有关于臭氧消毒的研究，其混合方式摒弃了这种笨 重的反应器代之轻巧的射流混合或叶片泵搅动混合方式，取得了较好的效果，但 设备都是购买自国外成熟的产品，没有自己的设计方案 1 7 。 总之，目前国内对于水产养殖用高浓度臭氧水发生装置还没有初始的设计标 4 f 上海海洋大学硕士学位论文 准，其实际使用的设备不能满足日益增长的生产需求，迫切需要一种能够便于移 动和日常维护，价格低廉，混合效果好的高浓度臭氧水发生装置。 1 4 本研究的任务及创新 本研究的任务是设计和试验一种用于工厂化循环水养殖的臭氧消毒设备，替 代以往笨重的填料塔

32、，使用体积小，混合效果好的射流器作为混合设备。由于射 流器具有结构简单，混合效率高，不易堵塞等特点，使得所设计的消毒设备从体 积和效率上都比填料塔有优势。 在射流器的设计中，将传统的理论设计计算与计算机流体动力学仿真结合起 来，将设计所得到的尺寸值进行仿真模拟，利用仿真模拟的结果验证和改进理论 设计的尺寸，确保在制造之前能够将射流器的混合效果优化到最佳值，形成设计 一仿真优化一制造一试验的新模式。 常用的臭氧消毒设备都有剩余气体处理装置，将剩余气体加热分解或吸收，没 有充分利用这些剩余资源。我们设计的臭氧消毒装置在混合罐上设计了剩余气体 回收装置，可将未被水溶解的臭氧气体重新吸入进气管道循环，

33、节约了成本，提 高了臭氧气体的利用率。 试验中采用臭氧浓度传感器采集水中的臭氧气体浓度信息，并构建了一套基于 P L C 和组态监控软件的自动化监控系统，在试验过程中自动采集数据并形成报表， 试验结束后将数据导入E X C E L 进行分析。自动化的数据采集系统避免了人工采样 产生的误差，提高了此类试验的自动化水平。 本研究通过设计臭氧水溶解装置，在工厂化循环水养殖中使用臭氧消毒避免 了药物残留，减少了水体p H 对水处理效果的影响，还可以分解生物硝化难以降解 的有机物质，对改善循环水养殖的水质有重要的实际意义。利用C F D 仿真的方法 对设计参数进行模拟，而后通过试验验证，形成了设计一仿真

34、一比较分析一制造一试 验的新的试验方式。所设计的消毒设备占地小，结构紧凑，克服了庞大的填料塔 笨重、体积大、不易维护的缺点，提高了设备的可维护性，对今后的工厂化循环 水养殖集约化和自动化提供了便利条件。 5 上海海洋大学硕士学位论文 第二章射流器基础理论与设计方法 2 1 射流器的研究 水喷射形式传质吸收装置是利用高速流动的液体从喷嘴喷出后，形成与气体 存在粘滞作用的边界层，它将气体卷吸，连续气相被连续液相粉碎为微小气泡， 被高速流动液体带走，微小气泡处于重新聚合为大气泡与再次被湍流脉动剪切成 小气泡的动态过程中 1 8 。 喷射形式的气液混合设备能使气液充分接触，尤其适合气液快速反应的场合，

35、 已被广泛应用于废水处理，多相反应，制冷装置及矿物浮选等设备中。 2 1 1 射流器的理论基础 1 9 3 9 年德国的F l u g e l 制造出第一台射流器( 也称喷射器) ，从此射流器得到 了极为广泛的应用。最初的所有设计都是以实验结果为依据。K e e n a n 和E l r o d 等 人最先对喷射器给出了完整的理论分析和实验研究，从而形成了喷射器的一维基 本理论 1 9 J 。K e e n a n 等人从2 0 世纪4 0 年代开始，首先以空气为介质，对无扩压室 的简单喷射器系统与预先分析的特性相比较。后期L u s t w o r k 加入，研究带有扩压 室的喷射器，他们的

36、研究做了几个的方面的假设：a ) 理想气体；b ) 工作流体、引 射流体的分子量和比热相同；C ) 工作流体、引射流体的初始速度为零；d ) 混合流 出口速度可忽略；e ) 不具体考虑各过程的能量损失，能量损失通过引进估算系数 加以修正。他们假设喷嘴和扩散器里面的过程都是等熵过程，不考虑喷射器的壁 面阻力，运用动量守恒方程、能量守量连续性方程计算工作过程，推导出具有最 大压缩比或最大喷射系数的喷射器几何参数的优化设计公式，并且把喷射器的效 率定义为实际的喷射系数与理想的喷射系数之比。 定压混合理论被广泛应用于喷射器的设计，但同时也带来许多实际问题，最 主要的问题是混合阶段流动过程的复杂性，确切

37、的说是如何确定混合室形状，来 保证定压混合过程的有效性和充分性。K e e n a n 等忽略喷嘴和扩散器的效率是因为 这样可以使问题简化，但同时也忽略了工作流体和引射流体的流动过程速度系数。 E a m e s 等 2 0 改进了K e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入了不可逆损失， 同时用实验进行了验证。 6 上海海洋大学硕士学位论文 实际工作中，流体在喷射器中由于膨胀、压缩及混合而发生相变。因此在等 压混合理论的基础上，S h e r i f 等人 2 1 】建立了两相流模型，工作流体为两相混合物， 通过引入含气率来考虑气液两相的相互作用，引射流体为过冷或饱和液体，对

38、引 射流体采用伯努利方程来求解流动速度。该模型可用来预测沿喷射器轴线各热力 参数的变化情况。研究结果表明，工作流体的压力越高，其对应的压缩比越大， 而抽吸率的增幅则逐渐趋缓。 热力学分析方法能够全面了解流体在喷射器中的流动，但是该方法的缺点是 很难准确地预测喷射器中的局部流动现象。而动力学分析方法能够对局部的激波 与混合边界层的交互作用及对混合和压缩的影响有了全面的了解，能够更可靠、 更精准地设计喷射器，选择合适的工作流体和最佳工作参数。随着计算流体动力 学( C F D ) 的发展，动力学分析已经得到了广泛的应用。 2 1 2 射流器的设计方法 在喷射器的设计方面，主要有经典热力学法、气体动

39、力函数法和经验系数法。 目前较多使用的是前两种方法。其中热力学法建模，物理意义明确，计算简便， 多为研究人员运用。气体动力函数法是索科洛夫在动量守恒理论的基础上，借助 气体动力函数和自由流束理论推导出了计算喷射系数的方法。该方法还结合了前 苏联热工研究所进行的实验结果。在研究中，索科洛夫分析了喷射系数随工作压 力、吸入压力和出口压力变化的过程，对喷射器在临界状态下工作的特性进行了 研究 1 9 。由手动力函数的引入和修正的合理化，索科洛夫的方法对喷射器的计算 的合理性较经典热力学法有所提高，尤其是能够计算出极限压缩比和喷射系数的 限定作用，使设计的喷射器可用性增强，能够成功地解决较大压缩比的喷

40、射装置 及气力输送等的设计；另外，喷射器的径向尺寸计算已完全脱离经验化，对气体 喷射的计算结果也相对经典热力学法精确；但是对喷射器长度几何尺寸没有明确 的计算方法，而是靠实验确定。 国内的喷射器设计基本上是以索科洛夫喷射器一书为指导，通过实验方 法确定设计中的重要参数，并对各个参数对射流器性能的影响做相关性分析。 郭金基 2 2 对亚音速气体喷射器进行了模型试验，测量了流场的速度、压力以 及各端口的阻力系数，运用数理统计的方法找出速度幂函数曲线，得出近似的速 度分布模型，并用近似计算得出自由射流束长度和混合室的压力值；利用喷射器 的端口特性及自由射流长度取极值条件确定其几何尺寸，并说明了计算公

41、式试用 范围及应用情况。 王权 2 3 等将索科洛夫的计算方法编制成计算程序，减轻了喷射器设计的手工 7 上海海洋大学硕士学位论文 计算量，并从热力状态变化角度出发， 推导出一种计算喷射系数的简化方法。 一致，可作为喷射器设计的粗算方法。 以索科洛夫计算方法为基础进行简化处理， 经过大量对比计算，两种方法的计算结果 刘爱萍 刎在索科洛夫计算方法基础上，运用变量全微分的方法推导了工作流 体压力，引射流体压力及混合流体压力改变时对喷射器喷射系数影响的具体表达 式，并通过计算数据分析了这些因素的影响次序。 射流器不仅仅用于化工系统，在水产养殖中，射流式增氧机也被广泛使用， 国内学者根据索科洛夫的设计

42、理论设计了各种射流增氧机，并进行了大量的清水 充氧试验，以验证影响射流器性能的重要参数。 庞云芝【2 5 等根据索科洛夫喷射器的设计理论研制出一种能用于冰下和深水的 射流式增氧机，并对射流器的主要参数进行了实验研究，确定了喷嘴直径，混合 管直径以及截面积比等重要参数。根据作者所做的试验，进气量与射流增氧机的 动力效率呈正相关关系，喷嘴位置对动力效率没有影响。， 吴世海 2 6 研制了一种射流自吸式增氧机，并对影响吸气量和增氧效率的部件 进行筛选试验，介绍了射流增氧机的结构、原理和各个主要部件的参数。 周建来 2 7 等研制了一种双侧吸气的射流式增氧机，并采用正交试验的方法， 以增氧动力效率为主

43、要性能指标，选取位置系数R 、面积比m 、喷嘴收缩角f l 等作 为射流器的主要结构参数，对射流增氧机进行清水充氧试验。结果表明：位置系 数和面积比分别为两个影响增氧动力效率的最重要参数。位置系数与面积比直接 存在着比较显著的交互效应，其显著性低于两者独立作用的水平，高于喷嘴收缩 角与喉管长径比的独立作用水平。 尽管从二十世纪四十年代就开始，科研工作者就不断对射流器进行研究和改 进，但正如索科洛夫自己所说的“在设计中仍然采用大量经验公式，需要对射流 器进行进一步的研究“ 1 9 。随着计算机软硬件的不断升级和发展，越来越多的研 究人员开始用C F D 仿真的方法进行研究。 2 2 射流器流体动

44、力学仿真 2 2 1 流体动力学软件F 山E N T C F D ( C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ) 软件是计算流体力学软件的简称， 是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。通过C F D 模拟仿真，可以分析 并且显示流体流动过程中发生的现象，及时预测流体在模拟区域的流动，并通过 8 上海海洋大学硕士学位论文 改变各种参数，得到相应过程的最佳设计参数。C F D 的数值模拟仿真能使我们更 加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省以往实验所需的人力、物 力和时间，并对实验结果的整理和规律的发现起到指导作用。随着计算

45、机软硬件 技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用C F D 软 件。这使许多原本不擅长C F D 工作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值 计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，将更多的精力投 入到研究问题的物理本质、问题提法、边界( 初值) 条件和计算结果合理解释等重 要方面上，充分发挥商用C F D 软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优 势，为解决实际工程问题开辟了道路 2 8 】。 计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。 主要研究是把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型的代数方程，建立可 以在计算机上求解的算法。从流体现象出发，直接建立满足流动规律的、适当的 离散数值模型，而不必经由已有的流体力学偏微分方程组。通过时空离散化，把 连续的时间离散成间断的有限的时间，把连续的介质离散成间断有限的空间模型， 从而把偏微分方程转变成有限的代数方程。因此，数值方法实质上就是离散化和 代数化。离散化把无限信息系统变成有限信息系统；代数化把偏微分方程变成代 数方程。离散的数值