自由表面双曲水渦の作製

私たちの生活はらせん構造と密接に関係しています。それらは、貝殻やアンモナイトの構造やハリケーン、竜巻、渦の形成など、ほとんどすべての場所に存在します^1,2。宇宙論的スケールでは、銀河は対数スパイラル³の原理に従って形成され進化します。最もよく知られているスパイラルは、ゴールデンスパイラルとフィボナッチスパイラル⁴であり、植物の成長や特定の固体の結晶構造の説明からコンピューターデータベース検索アルゴリズムの開発に至るまで、多くの用途があります。フィボナッチ数列は、0と1で始まり、前の2つの合計に対応する後続の数を持つ数値シリーズとして特徴付けられます。このシーケンスは、ウサギの繁殖率を数えたときにも見られます。らせんは、コロンビアやオーストラリア(紀元前40,000〜20,000年¹)で見られる同心円など、ホモサピエンスによって描かれた最も古い幾何学的形状の1つです。レオナルドダヴィンチ⁵は、らせん状の刃(ギリシャ語のἕλιξπτερόν、またはらせん状の翼を意味するらせん翼から)を使用してヘリコプター型の飛行機械を作成しようとしました。同じ原理に従って、航空機設計者のイゴール・シコルスキーは、450^{年後に量産}された最初のヘリコプターを建設しました6。

他の多くの例は、このタイプの流れが自然界で優先的に見られるため、らせん流構造が非常に効率的で費用を節約できる可能性があるという事実を指摘しています。20世紀の初めに、オーストリアの森林官で哲学者のヴィクトルシャウベルガーはこれに気づきました。彼は、人間は自然を修正しようとするのではなく、自然を研究し、そこから学ぶべきだと述べました。彼の考えに基づいて、彼は木材を浮かべるためにかなり珍しい丸太の水路を作りました。水路は2点間の最もまっすぐな道をたどりませんでしたが、谷と小川の蛇行をたどりました。この設計は、その軸に沿ってらせん状にねじることによって水の流れを作り、それによって使用される水の量を減らし、通常の⁷と見なされるものを大幅に超える輸送速度を生み出しました。

父親の足跡をたどって、ヴィクトルの息子ウォルターは、飲料水の処理、工業プロセス、池と水路の回復、池と小さな湖の酸素化、河川の規制と修復など、さまざまな目的で水渦⁸を使用して新しい技術を開発しました。これらのアイデアの1つは、最近かなりの関心を集めており、すなわち、攪拌装置なしで水の流れによってのみ渦が生成される双曲線漏斗⁸を使用した水処理です。地下水中の鉄を酸化するための非常に効果的な方法であることが証明されています^9,10。この技術の制限は、低pH水¹¹の効率が低いことです。

オランダの大量の飲料水は地下水源¹²から得られており、鉄の濃度は1リットルあたり数十ミリグラムに達する可能性があります¹³が、0.2 mg / Lは基準¹⁴で許容できると見なされています。ほとんどの飲料水プラントは、浄水プロセスで鉄濃度を下げるための最初のステップの1つとして曝気を使用しています。ほとんどの場合、曝気の目的は、溶存酸素含有量を増やすこと、水からガスやその他の関連物質を除去すること、またはその両方です¹⁵。曝気によって液体媒体に酸素を導入することができる様々な方法がある。これらの方法には、ミキサーまたはタービンを使用して液面を攪拌し、巨視的なオリフィスまたは多孔質材料¹⁶のいずれかを通して空気を放出することが含まれる。

鉄酸化の化学プロセスはvan de Griend¹⁷によって実証され、酸素分子が第一鉄から電子を取り、遊離プロトンと反応して水を形成し、鉄イオンが酸化されます(式[1])。

、(1)

その後、鉄イオンは水と反応してプロトンを放出するため、Fe(OH₎₃として沈殿します(式[2])。

(2)

全反応は式 (3) で与えられます。

.    (3)

曝気において、最も頻繁に適用される技術は、カスケード、タワー、スプレー、およびプレート曝気システム^です18,19。これらの技術の欠点は、それらが全^{エネルギー20}の50%から90%、および処理施設²¹の運用および保守のための予算の最大40%を消費することである。

曝気に双曲線漏斗を使用すると、コストを大幅に削減し、このプロセスの効率を高めることができます。双曲線漏斗は、その形状と可動部品がないため、目詰まりの影響を受けにくく、エネルギーは水の汲み上げにのみ費やされます。このようなシステムは、漏斗の1時間あたりの水流量(φ)、平均滞留時間(MRT)、油圧保持時間(HRT)、酸素体積物質移動係数_{(KLa 20})(標準化された温度20°Cに補正)、標準酸素移動速度(SORT)、および標準曝気効率(SAE)などのいくつかのパラメータによって特徴付けることができる。漏斗の流量は、一定時間内に処理できる水の量を計算するために必要です。MRTは、式(4)を使用して、特定のレジームにおける漏斗内の水流量とその体積の比率から計算されます。

(4)

ここで 、V は反応器内の液量を表す。

HRTは、その滞留時間分布関数を介してトレーサー技術²²を用いて実験的に決定することができる。HRTは、混合プロセス、ホールドアップ、および分離現象に関する基本的な洞察を提供します²³。Donepudi²⁴によって、ウォータージェットが入口から離れるほど、出口に向かって速く移動することが示されました。最初の瞬間に、水は漏斗の上部円筒部分に接線方向に汲み上げられる。次に、重力の影響下で、システムの形状とともに、接線速度が減少し、軸速度が増加します。酸素体積物質移動係数KLA20(単位逆数時間)は、液相₁₀への酸素移動を促進するシステムの能力を示す。式(5)に従って^25,26を計算できます。 

(5)

ここで、_Coutはバルク液中の溶存酸素(DO)濃度、_Cinは原料中のDO濃度、_Csは飽和時のDO濃度、Tは水温です。

SORT値は、システムによって液相に移動される酸素の標準速度であり、式(6)²⁷によって決定されます。

(6)

ここで 、 は 20 °C の温度の飽和時の DO です。 SOTR値は特定のプロセスに対して定義することができ、その場合、式(6)で使用される体積は、1時間の処理時間(プロセス固有のSOTR)を仮定することによって正規化されるため、パイロットスケールの曝気方法を実際のスケールのシステムと比較できます。漏斗内の特定のレジームの能力については、(レジーム固有の)油圧保持時間に対して漏斗内の水の量を使用するシステム固有のSOTRを計算する必要があります。この値は、特定の漏斗内のレジームの実際の曝気能力を計算するときに重要です。

SAEは、SOTRと曝気に費やされる電力の比率です。エネルギーは漏斗の上部に水を汲み上げ、渦を形成するために必要な流れを与えることにのみ費やされるため、漏斗の長さに対応する高さで1時間あたりに汲み上げられた水の量の位置エネルギーと、式(27)を使用して渦²⁷を作成するために水が必要とする運動エネルギーの合計として計算されます。

(7)

ここで、P _pは漏斗の高さまで汲み上げられた水を持ち上げるのに必要な潜在的な電力(kW)であり、P_kは漏斗の上部で汲み上げられた水が渦を生成するのに十分な流れを得るために必要な運動力(kW)です。通常、式(7)では、システム固有のSOTRを使用する必要があります。代わりにプロセス固有のSOTRを適用すると、1時間の油圧保持時間で(理論上の)システムのエネルギー消費が得られます。

これらのパラメータは、このテクノロジを使用することの有効性と実現可能性を評価するのに十分ですが、プロセス自体を説明するには不十分です。渦は流体力学において最も理解されていない現象の一つであることに言及すべきです。したがって、この方向に多くの研究努力が投資されています。流体力学における渦の一般法則と規則を見つける際の主な課題の1つは、幾何学的境界条件には常に変動があり、それが渦の発生に影響を与え、その形成とダイナミクスに大きな影響を与えることです。したがって、自由表面渦(FSV)は、実験室型の閉じ込められた渦と同様に考えることはできないと考えるのが妥当です。しかし、Mulligan et ^al.28 のテイラー・クエット流 (TCF) では、FSV の空芯を空芯と同じ速度で回転する仮想の内筒とみなすと、どちらも同様に扱うことができることが示された。これにより、自由表面渦流場を表す方程式を仮想円筒の角速度条件に代入することができ、TCF系の方程式が得られる。また、仮想円筒の回転速度を上げると、ある時点でテイラー様渦²⁸ が二次流れ場として現れ、壁に近づくと消えることも実証された。

Niemeijr 29によって、他の水理パラメータによって特徴付けられるシャウベルガー漏斗(ねじれ、直線、および制限)(図1および図2)で3つの異なるタイプの水渦を取得できることが示された後、Donepudi 24はMulligan et al.28と同じアプローチを使用して、数値流体力学(CFD)を使用して渦領域をシミュレートし、それによってそれらの流れ場の構成を分析して根底にあることを理解しました物理的なメカニズム。システムは非常に乱流であり、二次流れ場は非常に不安定であり、多数のテイラー様渦の出現によって特徴付けられる。気相から液相へのガス輸送は、拡散、移流、および反応によって支配されます。したがって、このプロセスの効率を高めるためには、ガス濃度勾配または液体の体積運動のいずれかを増加させることが必要である。後者は、界面からバルク液体への飽和流体要素の輸送を容易にするテイラー様渦の形の系の乱流に直接依存する。このトピック⁹に関する別の研究では、水の流量、K_La₂₀、SOTRなど、さまざまな渦レジームの主なパラメータが比較されました。この研究は、このシステムが水の曝気に使用される他の方法と比較して非常に高速なガス移動を可能にするため、この技術に大きな期待を示しました。

この記事の目的は、効率的な通水を目的として、双曲線シャウベルガー漏斗(小:高さ26 cm、上部直径15 cm、中:高さ94 cm、上部直径30 cm、大:高さ153 cm、上部直径59 cm)にさまざまな水渦レジームを作成するためのこの方法を提供し、実証することです。