Name: 自由表面双曲水涡的制备 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-07-28T13:50:00.000+00:00
Duration: 4 min 35 s
Description: 了解利用双曲Schauberger漏斗制备自由表面水涡的高效曝气技术。通过调节水流与背压形成不同涡流形态，可显著提升水处理过程中的氧传质效率。

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本工作是在Wetsus欧洲可持续水技术卓越中心（www.wetsus.eu）的应用水物理研究主题合作框架下完成的。Wetsus由荷兰经济事务部、基础设施与环境部、弗里斯兰省以及荷兰北部各省共同资助。本研究获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划在玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里基金协议No. 665874以及Gilbert-Armstrong实验室的资助。我们非常感谢Maarten V. van de Griend对本工作的支持。

1. 一般建议
<ol>
	<li>在启动装置前，检查所有管道连接处是否泄漏。</li>
	<li>检查漏斗盖是否已安装到位并固定牢固。</li>
	<li>每次实验前后均需用刷子和玻璃清洁剂清洗漏斗，因为地下水中铁浓度较高，可能导致漏斗变黄。</li>
</ol>
2. 实验装置
<ol>
	<li>水涡流系统（图3）
	<ol>
		<li>将玻璃漏斗（图4）牢固地垂直固定在一个特制支架上——该支架为一块带有四条腿且中部有槽的板，槽的直径与漏斗圆柱部分的直径相匹配，大小应足以使漏斗嵌入但又不至于使其掉落。将支架牢固固定，确保其不会晃动。</li>
		<li>在盖子与漏斗之间放置橡胶垫圈，以防止泄漏。安装漏斗盖，并用螺栓拧紧。</li>
		<li>使用软管和软管接头将地下水泵连接至漏斗顶部圆柱部分的切向入口。</li>
		<li>在水泵与漏斗之间连接一个专用控制阀，以调节水流速率。在控制阀与漏斗之间连接一个水流计。</li>
		<li>用软管将漏斗出口连接至排水口。在排水软管上、靠近漏斗出口处安装一个夹具，以在设备运行期间产生背压。 
		注意：夹具应在所有其他实验所需的接头和连接件安装完毕后立即安装。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>示踪剂实验系统（图3）
	<ol>
		<li>在入口和出口附近安装用于安装探头的专用接头。将pH探头安装在这些接头中，并将其连接至数据记录仪。</li>
		<li>尽可能将传感器靠近漏斗安装，以减少水力停留时间（HRT）计算中的误差。</li>
		<li>准备1 mL氢氧化钠溶液（浓度：0.2 M），作为化学示踪剂注入射流水流中。 
		注意：由于氢氧化钠水溶液为强碱，在pH30上表现为峰形上升。</li>
		<li>在入口附近的pH探头前安装一个具有三个开口的接头，用于连接示踪剂注入系统，该系统由一个阀门和一个注射器组成。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>溶解氧（DO）实验系统（图3）
	<ol>
		<li>将两个氧传感器斑点粘贴在两个不同玻璃接头的内壁上，尽可能靠近漏斗的入口和出口，并将其连接至水管线路。 
		注意：运行期间，水必须完全覆盖这些斑点。</li>
		<li>将带有氧传感器斑点的玻璃接头安装在漏斗的入口和出口附近，并将聚合物光纤（长度为2 m）的端部固定在玻璃另一侧对应斑点的正上方。</li>
		<li>在与pH探头相同的接头中、靠近漏斗入口处安装水温传感器。确保其靠近光纤，因为水温用于校正溶解氧测量值。</li>
		<li>将聚合物光纤和温度传感器连接至光纤氧传输仪。</li>
		<li>将光纤氧传输仪连接至安装有专用软件的笔记本电脑，以显示与溶解氧浓度和水温相关的传感器信号。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 操作（中号漏斗）
<ol>
	<li>涡流状态
	<ol>
		<li>打开流量计。启动地下水泵，并完全打开控制阀。确保水流显著高于形成水涡所需的最小流量（中号漏斗为1338&#160;L/h）。</li>
		<li>通过调节控制阀设定所需的水流值。如有必要，挤压漏斗出口附近的夹子，使水在漏斗内受阻，从而导致漏斗上部圆柱段的水位上升。</li>
		<li>为设置不同状态，需在一个实验中依次调节漏斗上部圆柱段的水流值和水位（表1）。检查水涡的稳定性持续15分钟。在稳定状态下，水位不应发生变化。
		<ol>
			<li>对于扭曲状态，将流速调节至1194 L/h，水位调节至2&#160;cm；再将流速调节至1218 L/h，水位调节至5 cm。</li>
			<li>对于直线状态，将流速调节至1314 L/h，水位调节至11&#160;cm；再将流速调节至1338 L/h，水位调节至11.7 cm。</li>
			<li>对于受限状态，与扭曲和直线状态不同，通过挤压漏斗出口附近的夹子产生背压。将流速设定为882 L/h，水位设定为3&#160;cm；再将流速设定为936 L/h，水位设定为9&#160;cm。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>示踪实验
	<ol>
		<li>使用数据记录仪校准pH探头，以确保所获取数据的有效性和准确性。
		<ol>
			<li>准备两种标准溶液，一种pH值高于操作范围（6–10），另一种pH值低于该范围。在数据记录仪中设定其数值，并在校准过程中依次测量。随后，数据记录仪将完成对pH探头的校准。</li>
			<li>将pH探头安装在漏斗的入口和出口处，连接至数据记录仪，并启动记录模式。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>启动装置。
		<ol>
			<li>启动装置，并确保水涡处于稳定状态。</li>
			<li>用预先配制的NaOH示踪混合液填充注射器，并将其连接至示踪剂注入管线。迅速旋开注入系统中的阀门，注入示踪液体，然后迅速旋紧阀门。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>执行数据保存与分析。
		<ol>
			<li>当pH值稳定后，保存示踪液体通过玻璃漏斗过程中记录的pH峰值。</li>
			<li>按照先前研究22中所述方法分析进出峰，用于计算HRT。具体操作为：以第一个峰起始点作为计时起点，以第二个峰上将其分为两个等面积部分的点作为计时终点。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>溶解氧（DO）实验
	<ol>
		<li>使用笔记本电脑和光纤氧变送器中的软件对DO传感器进行校准。使用两种液体：一种为无氧液体（将0.1 L水与1 g亚硫酸钠混合），另一种为氧饱和液体（通过空气曝气15分钟实现）。然后在软件中选择校准功能，并依次测量两种液体。</li>
		<li>执行安装与记录。
		<ol>
			<li>将DO传感器安装在漏斗的入口和出口处。此外，在漏斗入口附近安装温度传感器。将它们连接至光纤氧变送器，并启动记录模式。</li>
			<li>启动装置，并确保水涡稳定。待DO浓度值达到稳定后开始记录数据。 
			注：若读数不稳定，则数据无效，必须重复实验。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Tsuji, K., Muller, S. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTsuji%2C+K+%22Spirals+and+Vortices+in+Culture%2C+Nature%2C+and+Science%22">Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science</a>. , Springer Nature. Switzerland. (2019).</li>
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<li>Mulligan, S., de Cesre, G., Casserly, J., Sherlock, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+turbulent+free-surface+vortex+flows+using+a+Taylor-Couette+flow+analogy%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Understanding turbulent free-surface vortex flows using a Taylor-Couette flow analogy.</a> Scientific Reports. 8 (1), 824(2018).</li>
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</ol>

作者声明，他们不存在任何已知的相互竞争的经济利益或可能被认为影响本文所报告工作的个人关系。

如果地下水泵功率过大而系统无法承受压力，可在控制阀前增加一个排水口以降低压力。为了获得可靠的结果并确保示踪实验使用快速探头，校准传感器非常重要。如果探头响应过慢，则会扭曲水力停留时间（HRT）的测量结果。此外，若在直线流态下，HRT 显著小于平均停留时间（MRT），这可能表明漏斗的切向入口明显低于水位，示踪液进入漏斗后有一部分直接流向排水口，从而导致 HRT 降低。
双曲沙伯格漏斗中的水涡旋对水流速率非常敏感。系统越小，对流量变化的依赖性就越大。如果流动状态稳定，漏斗中的水位应不随时间变化。若情况并非如此，水位将会上升或下降。因此，应注意观察水位，以避免发生水溢出、因漏斗内部压力升高而导致的裂纹，或出现非预期的流动状态转变。
为了&#160;确定涡流的状态（方案步骤 3.1.3.1–3.1.3.3）及其稳定性，使用透明的漏斗较为有利。因此，本研究中采用了玻璃漏斗&#160;。在运输、操作和安装过程中必须格外小心，应注意不要过度拧紧盖子上的螺丝，以免造成损坏（方案步骤 2.1.2）。
为了确定水力停留时间（HRT），应尽可能多次重复步骤3.2.2–3.2.3（至少10次），因为系统存在&#160;高度湍流及次级流动（类似泰勒涡流），示踪剂射流可能分离并沿不同路径通过漏斗。例如，Donepudi 等人24 和 Mulligan 等人28 的研究表明，水层越接近玻璃壁，其流向排水口的速度越快。探头每次使用后均应用去离子水清洗并擦拭，以避免样品与保存液混合，否则可能破坏数据并降低电极保存质量。
进行&#160;DO 实验时，需确保系统出口处的氧气浓度值稳定（实验步骤 3.3.2.2）。若系统尚未达到稳定状态但波动不显著，则应对测得的数值进行平均处理。此外，盖子上必须留有通气孔，以使空气流入系统，实现进一步曝气。
尽管该系统的KLa20&#160;值和能量效率较高，但由于现有漏斗的水流速率较低，其SOTR值相较于其他方法仍较低26，这目前限制了双曲面漏斗在工业水体曝气中的应用。然而，已有研究表明，通过使用大、中、小型不同尺寸的漏斗，可在不同规模下实现系统的高效率。由此可知，通过改变漏斗的几何结构（如尺寸、进出口直径、壁面曲率），可在不降低曝气效率的前提下，显著提高水处理的速度和处理量。此外，从表1中可以看出，当漏斗长度增加1.1 m时，SOTR提升了100倍以上。考虑到某些水处理厂中水位差可达数米，因此（部分）曝气过程可能以远低于当前的成本实现。因此，明确漏斗不同几何参数对涡流状态下水流速率及KLa20&#160;的影响，将有助于开发一种低成本且具有竞争力的地下水曝气技术。此外，如Schauberger31所示，曝气还可用于改善水库、湖泊和河流的水质。

我们的生活与螺旋结构密切相关。螺旋几乎存在于万物之中，无处不在，例如贝壳和菊石的结构，以及飓风、龙卷风和漩涡的形成1,2。在宇宙学尺度上，星系的形成与演化遵循对数螺旋的原理3。其中最著名的螺旋是黄金螺旋和斐波那契螺旋4，其应用范围广泛，从描述植物生长和某些固体的晶体结构，到开发计算机数据库搜索算法。斐波那契数列是一个以0和1开始的数字序列，其后续每一项均为前两项之和。在计算兔子繁殖速率时也能发现这一数列。螺旋是智人（Homo sapiens）绘制的最古老的几何图形之一，例如在哥伦比亚和澳大利亚发现的同心圆（公元前40,000–20,000年1）。列奥纳多·da Vinci5曾尝试利用螺旋叶片（源自希腊语 ἕλιξ πτερόν，即 helix pteron，意为螺旋翼）设计一种直升机形状的飞行器。遵循同样的原理，飞机设计师 Igor Sikorsky 在450年后制造出了第一架投入系列生产的直升机6。
许多其他实例表明，螺旋流动结构可能非常高效且节约成本，因为这种流动形式在自然界中普遍存在。20世纪初，奥地利林务员兼哲学家维克多·绍博格（Viktor Schauberger）认识到了这一点。他提出，人类应当研究自然并向其学习，而非试图改造自然。基于这一理念，他建造了相当独特的原木滑道用于木材运输；这些滑道并未采用两点之间最短的直线路径，而是沿山谷和溪流的蜿蜒路线延伸。这种设计使水流沿轴线呈螺旋状旋转，从而形成涡流，不仅减少了用水量，而且运输速率显著超过了当时认为的正常水平7。
受其父亲影响，维克托的儿子瓦尔特（Walter）利用水涡流8开发了多种新技术，应用于饮用水处理、工业流程、池塘与水道的修复、池塘及小型湖泊的增氧，以及河流的调控与生态恢复。其中一项技术近年来受到广泛关注，即利用双曲漏斗8进行水处理；该装置仅依靠水流本身形成涡流，无需任何搅拌装置。该方法已被证实对地下水中铁的氧化具有显著效果9,10。然而，该技术的局限性在于对低pH值的水处理效率较低11。
荷兰的大量饮用水来自地下水源12，其中铁浓度可高达每升数十毫克13，而根据标准，可接受的限值为 0.2 mg/L14。大多数饮用水处理厂在水处理过程的初期阶段采用曝气法以降低水中铁的浓度。在大多数情况下，曝气的目的是增加溶解氧含量，去除水中的气体及其他相关物质，或同时实现这两项目标15。曝气将氧气引入液体介质的方法有多种，包括使用搅拌器或涡轮搅拌液体表面，以及通过宏观孔口或多孔材料释放空气16。
van de Griend17证明了铁氧化的化学过程，其中氧分子从亚铁离子夺取一个电子，并与一个游离质子反应生成水，同时铁离子被氧化（方程[1]）：
<img alt="氧化还原反应方程式，\(Fe^{2+} + \frac{1}{4}O_2 + H^+ \to Fe^{3+} + \frac{1}{2}H_2O\)，化学。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 1">，&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;（1）
铁离子随后沉淀为 铁(OH)3 因其与水反应会释放质子（方程式[2]):
<img alt="沉淀反应方程式，Fe&lt;sup&gt;3+&lt;/sup&gt; + 3H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O → Fe(OH)&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;↓ + 3H&lt;sup&gt;+&lt;/sup&gt;，化学过程。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程式 2">     (2)
总反应由方程（3）给出：
<img alt="化学反应式；铁的氧化；Fe(OH)₃ 沉淀；Fe²⁺、O₂、H₂O 生成 Fe(OH)₃ 和 H⁺。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq03.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 3">.     (3)
在曝气过程中，最常采用的技术包括跌水、塔式、喷淋和板式曝气系统18,19。这些技术的缺点是其能耗占污水处理设施总能耗的50%至90%20，并占设施运行与维护预算的最高达40%21。
使用双曲面漏斗进行曝气可显著降低该过程的成本并提高效率。由于双曲面漏斗的几何结构以及无运动部件，其对堵塞的敏感性较低，这意味着能量仅消耗于水泵运行。此类系统可通过多个参数进行表征，例如漏斗每小时的水流量（φ）、平均停留时间（MRT）、水力停留时间（HRT）、氧容积传质系数（KLa20）（校正至标准温度20°C）、标准氧转移速率（SORT）以及标准曝气效率（SAE）。漏斗的流量用于计算在特定时间内可处理的水体积。MRT通过在特定工况下漏斗中水流量与其体积之比，利用公式（4）计算得出：
<img alt="平均停留时间公式，MRT=V/φ，[MRT]=s；化学过程分析，公式。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq04.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 4">     (4)
其中 V 表示反应器中的液体体积。
HRT 可通过示踪技术进行实验测定22 通过 其停留时间分布函数。水力停留时间（HRT）为混合过程、滞留现象及分离行为提供了基本的洞察。23由 Donepudi 证明24 水射流距离入口越远，向出口移动的速度越快。在初始时刻，水沿漏斗上部圆柱段的切线方向被泵入。随后，在重力和系统几何结构的共同作用下，切向速度减小，轴向速度增大。氧传质体积系数 KLa20 （单位倒数时间），表示系统促进氧气向液相传递的能力10可以计算得出25,26 根据公式（5):
<img alt="气体溶解度的热力学方程，文本图像；包含符号 φ、cs、T、ln 函数。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq05.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 5">     (5)
其中 C出  是主体液体中的溶解氧（DO）浓度， C在 是进料中的溶解氧浓度， Cs 是饱和状态下的 DO 浓度，且 T 是水温。
SORT值是指系统向液相传递氧气的标准速率，由公式（6）27确定：
<img alt="静力平衡方程；SOTR 公式；氧传质速率分析方法。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq06.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 6">     (6)
其中 <img alt="化学符号 \( ^{20}_{10}\text{Ne} \) 图示，展示化学中的同位素表示法。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq08.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 8"> 表示在 20 °C 温度下溶解氧的饱和值。SOTR 值可针对某一特定过程进行定义，此时方程（6）中使用的体积需归一化为 1 小时的处理时间（过程特异性 SOTR），从而实现小试规模曝气方法与实际规模系统的比较。对于漏斗中某一特定工况的能力评估，必须计算系统特异性 SOTR，该值使用漏斗内水体体积及（工况特异性）水力停留时间。该参数在计算给定漏斗中某一工况的实际曝气能力时具有重要意义。
SAE 是 SOTR 与曝气所消耗功率的比值。由于能量仅消耗在将水抽至漏斗顶部并提供形成涡流所需的水流上，因此可通过公式（7）计算，即每小时抽水体积在对应于漏斗长度高度处的势能与水形成涡流所需的动能之和27：
<img alt="静态曝气效率计算公式，SAE 公式，氧转移效率，科学计算。" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq07.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 7">     (7)
其中，Pp 是将水泵送至漏斗高度所需克服的势能功率（单位为 kW），Pk 是在漏斗顶部的水流获得足够流速以形成涡流所需的动能功率（单位为 kW）。通常情况下，公式（7）应采用系统特定的 SOTR。若改用过程特定的 SOTR，则得到的是水力停留时间为 1 小时的（理论）系统的能耗。
这些参数足以评估该技术应用的有效性和可行性，但不足以描述该过程本身。需要指出的是，涡旋是流体力学中最不被充分理解的现象之一，因此该领域投入了大量研究工作。在流体力学中寻找涡旋普遍规律的主要挑战之一在于，几何边界条件始终存在变化，这些变化会影响涡旋的发展，并显著影响其形成与动力学行为。因此，可以合理地认为，自由表面涡旋（FSV）不能类比于实验室中受限的涡旋。然而，Mulligan 等人28在泰勒-库埃特流（TCF）的研究中表明，若将自由表面涡旋的气核视为一个以气核相同转速旋转的虚拟内圆柱，则两者可被类似处理。通过这种方法，描述自由表面涡旋流场的方程可被虚拟圆柱的角速度条件所替代，从而转化为适用于TCF系统的方程。此外还证明，当假想圆柱的旋转速度增加到一定程度时，会出现类似泰勒的二次流涡旋结构28，并在接近壁面时消失。
Niemeijr29研究表明，在Schauberger漏斗中可产生三种不同类型的水流涡旋（扭曲形、直线形和受限形）（图1 和 图2），这些涡旋具有不同的水力参数特征。在此基础上，Donepudi24采用了与Mulligan等人28相同的方法，利用计算流体动力学（CFD）模拟涡旋流态，进而分析其流场结构，以揭示其背后的物理机制。该系统具有高度湍流特性，二次流场极不稳定，并表现出大量类泰勒（Taylor-like）涡旋的形成。气体从气相向液相的传输过程受扩散、对流和反应的共同作用。因此，为提高该过程的效率，必须增加气相浓度梯度或增强液体的体积流动。后者直接取决于系统中类泰勒涡旋所体现的湍流强度，这些涡旋有助于将界面处饱和的流体单元输运至主体液体中。在另一项相关研究9中，比较了不同涡旋流态下的主要参数，如水流速率、KLa20 和 SOTR。该研究表明，相较于其他用于水体曝气的方法，该技术在气体传递速率方面展现出显著优势，具有广阔的应用前景。
本文的目的是提供并演示一种在双曲面绍伯格漏斗（小型：高26 cm，顶部直径15 cm；中型：高94 cm，顶部直径30 cm；大型：高153 cm，顶部直径59 cm）中产生不同水涡流态的方法，以实现高效的水体增氧。

<table><tbody><tr><td>单通道/双通道变送器</td><td>Endress+Hauser</td><td>CM442</td><td>数据记录仪</td></tr><tr><td>控制阀</td><td>+GF+</td><td>625DN20</td><td>型号514</td></tr><tr><td>数据记录仪</td><td>Endress+Hauser</td><td>CM442</td><td>Liquiline</td></tr><tr><td>光纤氧变送器</td><td>PreSens</td><td>SACN0002000005</td><td>Fibox 3</td></tr><tr><td>玻璃弯头连接件</td><td>定制</td><td>-</td><td>管道适配器</td></tr><tr><td>地下水泵</td><td>SAER</td><td>3637899</td><td>H/150</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>任意品牌</td><td>任意型号</td><td>Windows 10 或更高版本</td></tr><tr><td>大型玻璃漏斗</td><td>定制</td><td>-</td><td>高94 cm</td></tr><tr><td>氧气计算器</td><td>PreSens</td><td>v. 3.1.1</td><td>软件</td></tr><tr><td>氧传感器斑点</td><td>PreSens</td><td>NAU-D5-YOP</td><td>SP-PSt3</td></tr><tr><td>pH连接件</td><td>定制</td><td>-</td><td>pH探头适配器</td></tr><tr><td>pH传感器</td><td>Endress+Hauser</td><td>CPS11</td><td>Orbisint CPS11</td></tr><tr><td>聚合物光纤</td><td>PreSens</td><td>POF-L2.5-2SMA</td><td>OXY-1 SMA</td></tr><tr><td>橡胶垫片</td><td>ERIKS</td><td>11535207</td><td>141×197×2 mm</td></tr><tr><td>橡胶垫片</td><td>ERIKS</td><td>12252766</td><td>273×340×3 mm</td></tr><tr><td>小型玻璃漏斗</td><td>定制</td><td>-</td><td>高26 cm</td></tr><tr><td>水流量计</td><td>Endress+Hauser</td><td>P7066819000</td><td>Picomag</td></tr><tr><td>水流量计</td><td>Kobolt</td><td>5NA15AC34P</td><td>MIK</td></tr><tr><td>水温连接器</td><td>PreSens</td><td>-</td><td>Pt100</td></tr></tbody></table>

自由表面双曲型水涡的制备

Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

自由液面涡流在工业中广泛应用于流量调节、能量耗散和能量生成。尽管已有大量研究，但关于自由液面涡流的详细实验数据仍然缺乏，尤其是涉及界面湍流方面的数据。本文报道了一种由沃尔特·绍伯格（Walter Schauberger）在20世纪60年代首次提出的特殊类型自由液面涡流，其氧体积传质系数超过类似系统的数值。这种特殊类型的涡流在双曲漏斗中形成。通过不同的水力特性可稳定多种不同的流动状态。该技术的其他优势包括高能效、结构简单以及可扩展性。双曲漏斗内的流动具有强烈湍流特征，并显著增加了气-水界面的表面积。表面局部压力变化显著，导致明显的波浪状气-水边界层。由于螺旋流动的存在，这些扰动向内移动，并带动边界层一同运动。由此产生的压力梯度将一定体积的空气吸入水涡中。本文展示了基本双曲漏斗装置的构建方法及运行实例，包括针对三种不同稳定状态的高速可视化结果。

在施陶格伯格双曲面漏斗中，水漩涡在不同工况下（扭曲态、直线态和受限态）形成（图1）。由此，水体被大气中的氧气富集，促进了水中化学物质的氧化。该系统除将水抽送至双曲面漏斗上部所需能量外，无需额外能耗。
扭曲流态具有双螺旋形状，且水与空气之间的界面最大。形成该流态需要施加中等水流速度（小漏斗为75-78 L/h，中漏斗为1,194-1,218 L/h，大漏斗为4,834-5,032 L/h）。其在漏斗上部圆柱段的高度不应超过小漏斗2 cm、中漏斗7 cm、大漏斗16 cm。
直线流态呈平滑的直线状，水与空气之间的界面较小。该流态需要最大的水流速（小型漏斗为93-100 L/h，中型漏斗为1,314-1,338 L/h，大型漏斗为5,102-5,289 L/h）。对于所有漏斗，其水流高度均可达到顶部盖板。
根据水位的不同，受限流态可呈现为扭曲状或直线状的涡流。然而，该流态的特点在于其长度会随着背压的施加而发生变化，这与之前不施加压力的各种流态不同。该流态在漏斗顶部形成；但随着背压的增加，其尾部开始缩短，涡流逐渐从底部消失。其水流量极小（小漏斗为58–70 L/h，中漏斗为882–936 L/h，大漏斗为2,351–2,634 L/h），其高度可根据漏斗几何形状达到最小或最大值。
不同的流态可通过调节水流速率、背压和系统几何结构实现稳定并相互转化。表征曝气效率的参数包括水流速率、氧的体积传质系数和标准氧转移速率。可以看出，在低水流速率的扭曲涡流条件下，KLa20 最高（图4），比K高出数倍La20 在直线和受限流态下，该指标比用于湖泊和河流曝气的常规系统（如空气喷射、叶轮、桨板）高出数十倍，而这些常规系统能耗更高。随着水流进一步增加，KLa20 逐渐减少，但水位，即系统中的水量，却增加了。当超过某个阈值后，螺旋流态转变为直线流态。对于每种流态，均存在体积和水力参数保持不变的稳态条件。
然而，在比较小、中、大三种漏斗的相似条件时，各系统在水流速率和体积上的差异显著。但与此同时，K 的比值La20 数值变化不大。83 h 的最大值-1 对于小型漏斗，60 小时-1 用于中号漏斗，以及79 h-1 在扭曲状态下，大漏斗实现了上述结果。
同时，当 KLa20 随水流增加而降低时，MRT 增加，表明水通过漏斗所需时间更长，Donepudi24对此有详细描述。然而，与 KLa20 相似，在不同漏斗中，扭曲流态与直流通态下的 MRT 值大致相同。小漏斗的 MRT 范围为 10 s 至 43 s，中等漏斗为 14 s 至 30 s，大漏斗为 24 s 至 43 s（表 1）。
<img alt="流体动力学、涡流、比较实验显示流体动力学变化、示意图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1：26 cm 高的玻璃双曲面绍伯格器漏斗中的水涡流态。 （A）扭曲涡流（75 L/h），（B）直行涡流（100 L/h），（C）受限涡流（70 L/h）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="静态平衡；涡流形成序列；流体动力学实验；液体运动分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：在94 cm高的玻璃双曲面绍伯格漏斗中形成的水流涡流状态。（A）扭曲状（1,194 L/h），（B）直线状（1,314 L/h），（C）受限状（882 L/h）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="地下水处理流程图；pH、溶解氧、温度测量；过滤系统示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：用于协议步骤3.1–3.3中所述实验的装置示意图。(1) 地下水泵；(2) 控制阀；(3) 水流流量计；(4, 5) 用于溶解氧检测的聚合物光纤；(6, 7) pH探针；(8) 温度传感器；(9) 含示踪剂的注射器；(10) 阀门；(11) 绍伯格双曲面漏斗；(12) 光纤氧信号发射器；(13) 笔记本电脑；(14) 数据记录仪；(15) 夹具；(16) 排水口。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="化学处理装置、流体输送系统、编号组件；工业研究实验。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：大型漏斗装置的照片。 （1）地下水储槽；（2）水泵；（3）水流计；（4）含示踪剂的注射器；（5, 6）带有氧传感器斑点的玻璃接头；（7）、（8）pH 探针；（9）绍伯格双曲漏斗；（10）排水口。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<table fo:font-size="8px">
	<tbody>
		<tr>
			<td>漏斗</td>
			<td>流型</td>
			<td>φ (L/h)</td>
			<td>HRT (s)</td>
			<td>MRT (s)</td>
			<td>KLa20 (h-1)</td>
			<td>V (L)</td>
			<td>液位 (cm)</td>
			<td>Cin (mg/L)</td>
			<td>Cout (mg/L)</td>
			<td>SOTR (g O2/h)</td>
			<td>SAE (g O2/kWh)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="6">小号</td>
			<td rowspan="2">扭曲型</td>
			<td>75</td>
			<td>10</td>
			<td>15</td>
			<td>83</td>
			<td>0.2</td>
			<td>0.5</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.8</td>
			<td>0.2</td>
			<td>2801</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>78</td>
			<td>20</td>
			<td>24</td>
			<td>41</td>
			<td>0.4</td>
			<td>2</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.9</td>
			<td>0.2</td>
			<td>2932</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">直通型</td>
			<td>93</td>
			<td>31</td>
			<td>24</td>
			<td>25</td>
			<td>0.8</td>
			<td>4</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.8</td>
			<td>0.2</td>
			<td>2688</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100</td>
			<td>43</td>
			<td>32</td>
			<td>18</td>
			<td>1.2</td>
			<td>6</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.7</td>
			<td>0.2</td>
			<td>2635</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">限流型</td>
			<td>58</td>
			<td>18</td>
			<td>23</td>
			<td>14</td>
			<td>0.3</td>
			<td>1</td>
			<td>0.0</td>
			<td>0.6</td>
			<td>0.0</td>
			<td>872</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70</td>
			<td>53</td>
			<td>31</td>
			<td>2</td>
			<td>1.0</td>
			<td>5</td>
			<td>0.0</td>
			<td>0.3</td>
			<td>0.0</td>
			<td>459</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="6">中号</td>
			<td rowspan="2">扭曲型</td>
			<td>1194</td>
			<td>14</td>
			<td>13</td>
			<td>60</td>
			<td>4.5</td>
			<td>2</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.8</td>
			<td>2.4</td>
			<td>784</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1218</td>
			<td>19</td>
			<td>19</td>
			<td>37</td>
			<td>6.3</td>
			<td>5</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.6</td>
			<td>2.1</td>
			<td>667</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">直通型</td>
			<td>1314</td>
			<td>29</td>
			<td>29</td>
			<td>18</td>
			<td>10.7</td>
			<td>11</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.2</td>
			<td>1.8</td>
			<td>509</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1338</td>
			<td>30</td>
			<td>31</td>
			<td>18</td>
			<td>11.0</td>
			<td>11.7</td>
			<td>0.0</td>
			<td>1.2</td>
			<td>1.8</td>
			<td>500</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">限流型</td>
			<td>882</td>
			<td>21</td>
			<td>24</td>
			<td>17</td>
			<td>5.1</td>
			<td>3</td>
			<td>0.0</td>
			<td>0.9</td>
			<td>0.8</td>
			<td>348</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>936</td>
			<td>37</td>
			<td>36</td>
			<td>5</td>
			<td>9.7</td>
			<td>9</td>
			<td>0.0</td>
			<td>0.5</td>
			<td>0.4</td>
			<td>180</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="6">大号</td>
			<td rowspan="2">扭曲型</td>
			<td>4834</td>
			<td>24</td>
			<td>23</td>
			<td>79</td>
			<td>32</td>
			<td>11</td>
			<td>0.7</td>
			<td>4.1</td>
			<td>22.9</td>
			<td>1113</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5032</td>
			<td>34</td>
			<td>26</td>
			<td>52</td>
			<td>48</td>
			<td>16</td>
			<td>0.6</td>
			<td>4.0</td>
			<td>22.6</td>
			<td>1054</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">直通型</td>
			<td>5102</td>
			<td>38</td>
			<td>29</td>
			<td>31</td>
			<td>54</td>
			<td>19.5</td>
			<td>0.7</td>
			<td>3.0</td>
			<td>15.0</td>
			<td>690</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5289</td>
			<td>43</td>
			<td>30</td>
			<td>19</td>
			<td>64</td>
			<td>22.5</td>
			<td>0.6</td>
			<td>2.3</td>
			<td>10.8</td>
			<td>479</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">限流型</td>
			<td>2351</td>
			<td>58</td>
			<td>43</td>
			<td>16</td>
			<td>38</td>
			<td>7</td>
			<td>0.6</td>
			<td>2.6</td>
			<td>5.5</td>
			<td>557</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2634</td>
			<td>95</td>
			<td>50</td>
			<td>7</td>
			<td>70</td>
			<td>19</td>
			<td>0.6</td>
			<td>2.0</td>
			<td>4.2</td>
			<td>380</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：小型（图1）、中型（图2）和大型漏斗的基本水力特性与曝气效率参数。

本文介绍了如何在双曲面肖伯格漏斗中产生三种不同的水涡流态，阐述了这些流态最重要的特征，并说明了如何计算相关参数，例如氧气传递速率。

自由表面涡流在工业中存在于流量调节、能量耗散和能量产生等过程中。尽管已有广泛研究，但其详细……

本方法介绍了一种新型高效的水体曝气技术，因为曝气是水处理过程中成本最高的环节。该技术能够在比其他方法消耗更少能量的情况下，实现更快的氧气溶解速率。高效且快速地调节水流和背压是该技术的关键要素，尤其是在使用不同尺寸的漏斗进行实验以实现特定工况时尤为关键。开始实验时，打开流量计并启动地下水泵。打开控制阀，将水流调节至明显高于形成水漩涡所需的最大流量。如有必要，拧紧漏斗出口附近的夹子，并提高漏斗顶部圆柱部分的水位。随后依次调节漏斗上部圆柱段的水流速度和水位值，以设定扭曲流态和直线流态。对于受限流态，挤压漏斗出口附近的夹子以产生背压，将流速设定为882升每小时，水位设定为3厘米。然后将流速调整为936升每小时，水位调整为9厘米。进行示踪实验时，通过配制两种超出操作范围的高、低标准pH溶液来校准pH探头。测量其中一种标准pH溶液的pH值，并在数据记录仪中设置该数值以完成校准。同样，测量高pH溶液的pH值，并将其设置在数据记录仪中。然后让数据记录仪校准pH探头。在漏斗的入口和出口处安装pH探头。启动记录模式。接下来开始实验，确保水漩涡稳定。用已配制的氢氧化钠示踪混合液填充注射器，并将其连接到示踪剂注入管路。迅速拧开注射系统中的阀门。然后注入示踪液体，最后迅速拧紧阀门。待pH值稳定后，保存示踪液体通过玻璃漏斗时记录的pH峰。为分析进出峰以计算HRT，需将pH值转换为氢氧化钠浓度峰，并取第一个峰的起始点作为倒计时起点。然后选取第二个峰上将该峰分为两个面积相等部分的点，作为倒计时结束的依据。对于溶解氧（DO）实验，将DO传感器安装在漏斗的入口和出口处，然后将温度传感器安装在漏斗入口和出口附近。将每个传感器连接到光纤氧传输器。然后启动装置，确保水漩涡稳定。开始记录模式，待溶解氧浓度稳定后，记录数据。扭曲流态呈双螺旋形状，且水与空气之间的界面最大；而直流通态则呈光滑的直线形状，水与空气之间的界面较小。受限流态呈现扭曲或直线形涡旋，具体形态取决于水位高低；然而其长度会随着背压施加情况而变化。应快速控制水流以避免溢出，并应使用经过校准的传感器以获取可靠数据。我们正在进行的项目旨在开发一种新型废水处理技术，该技术结合等离子体放电在气相中产生氧化剂，并利用水体涡流将氧化剂溶解于水中。

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Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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了解利用双曲Schauberger漏斗制备自由表面水涡的高效曝气技术。通过调节水流与背压形成不同涡流形态，可显著提升水处理过程中的氧传质效率。

自由表面双曲型水涡的制备

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