振动格栅紊流模型的拟合及其对生物膜传质的影响

摘要

生物膜传质一直是有关生物膜的相关研究中的热门内容。目前有关水力条件对生物膜传质和生长特性的影响研究更多的是关注水力剪切力、流速等因素的影响效果，而脉动速度对其影响的相关研究数量较少。本文借助振动格栅装置培养生物膜，采用粒子图像测速技术测定了装置内的流场，得到了紊流流场的统计特性和变化规律，同时测定了生物膜的干重、厚度、密度以及胞外聚合物各组分的含量，通过将紊流流场的统计特性与生物膜的生长指标相联系，观察分析紊流流场对生物膜生长和传质的影响作用。主要研究成果如下：　　① 均方根速度和有效紊流强度在纵坐标方向上的分布规律基本相似。水平方向上，均方根速度的分布基本围绕在平均值附近上下波动，总体上变化不大，分布较为均匀。在竖直方向上，相同振动条件下的均方根速度和有效紊流强度都随纵坐标的增大而逐渐减小；相同高度上，随振动频率的增大，各个参数也随之增大。　　② 通过对粒子图像测速实验结果的拟合，修正了振动格栅紊流模型中的各个参数，得到均方根速度和有效紊流强度的表达式。得到的紊流模型适用于本文，可以用于计算在相同的实验条件下，生物膜培养实验中特定位置的有效紊流强度等。　　③ 有效紊流强度和紊流脉动程度越大，该区域培养的生物膜干重越多，密度越大，生物膜的生长状况更好，且生物膜的结构更加光滑、致密。在格栅振动频率较低的情况下，紊流的雷诺数较低，生物膜的厚度随着有效紊流强度的增加逐渐变厚；在格栅振动频率进一步提高后，雷诺数升高，生物膜的厚度随着有效紊流强度的增大总体上变化不大，厚度几乎没有改变，甚至略有下降的。　　④ 在紊流脉动的作用下，距离格栅更近的区域内，由于受到更强的湍动影响，生物膜外的浓度差边界层变薄，传质阻力下降，一定程度上促进了生物膜的生长。当紊流程度增大时，相应的，紊流脉动速度增加，提高了生物膜上微生物的脱附-吸附的速率，也提高了生物膜自我更新的速率。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 生物膜的形成

1.2.2 水力条件对生物膜传质的影响

1.2.3 生物膜生长的其他影响因素

1.2.4 生物膜传质阻力来源

1.2.5 生物膜传质类型及传质理论

1.3.1 各向同性紊流

1.3.2 振动格栅研究现状

1.3.3 振动格栅的统计特性

1.4 研究目的及内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术路线

2 实验材料与方法

2.1 格栅紊流流场测定实验材料及方法

2.1.1 实验装置

2.1.2 测试方法

2.1.3 实验方案

2.2 振动格栅生物膜实验材料及方法

2.2.1 主要试剂及设备装置

2.2.2 实验方案

2.2.3 分析项目及测定方法

2.3 实验误差及误差来源分析

3 格栅紊流模型的拟合及参数校正

3.1 振动格栅紊流统计特性的计算

3.2.1 时均速度在流场中的分布

3.2.2 均方根流速在流场中的分布

3.2.3 均方根速度在水平方向的分布

3.2.4 均方根速度在垂直方向上的分布

3.2.5 有效紊流强度在垂直方向上的分布

3.3 振动格栅紊流模型的拟合和参数的修正

3.4 各向同性度检验

3.5 本章小结

4 紊流脉动对生物膜传质的影响分析

4.1 引言

4.2 不同高度的有效紊流强度计算

4.3 紊流强度对生物膜传质的影响

4.3.1 紊流强度对生物膜量的影响及传质分析

4.3.2 紊流强度对生物膜结构的影响及传质分析

4.4 紊流脉动影响生物膜传质的分析

4.4.1 格栅紊流流场对生物膜外传质的影响

4.4.2 格栅紊流流场对生物膜内传质的影响

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 建议与展望

参考文献

附录

学位论文数据集

致谢

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