Name: preparation of free-surface hyperbolic water vortices
Uploaded: 2023-07-28T13:50:00
Duration: 4 min 35 s
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这项工作是在Wetsus欧洲可持续水技术卓越中心（www.wetsus.eu）应用水物理主题的合作框架内进行的。Wetsus由荷兰经济事务部和基础设施与环境部，弗里斯兰省和荷兰北部省共同创立。这项研究得到了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助，该计划根据玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里赠款协议第665874号和吉尔伯特-阿姆斯特朗实验室。我们非常感谢Maarten V. van de Griend对这项工作的支持。

1. 一般建议
<ol><li>在开始设置之前，请检查所有管道连接是否有泄漏。</li>
	<li>检查漏斗盖是否就位并牢固。</li>
	<li>在每次实验前后用刷子和玻璃清洁剂清洁漏斗，因为由于地下水中铁浓度高，漏斗可能会变黄。</li>
</ol>2. 实验设置
<ol><li>水涡系统（图3）<ol><li>将玻璃漏斗（图4）牢固地固定在特殊框架上的垂直位置 - 一块带有四条腿和中间一个插槽的板，对应于漏斗圆柱形部分的直径，并且足够大以使漏斗适合，但不会太大以使其掉落。牢固地固定框架，使其不会晃动。</li>
		<li>在盖子和漏斗之间放一个橡胶垫圈，以避免泄漏。装上漏斗盖，然后用螺栓拧紧。</li>
		<li>使用软管和软管连接器将地下水泵连接到漏斗顶部圆柱形部分的切向入口。</li>
		<li>连接一个特殊的控制阀来调节泵和漏斗之间的水流量。在控制阀和漏斗之间连接水流量计。</li>
		<li>用软管将漏斗的出口连接到排水管。在排水软管上，靠近漏斗出口处，安装一个夹子以在设备运行期间产生背压。 注意：夹具应紧跟在实验所需的所有其他适配器和连接器之后安装。</li>
	</ol></li>
	<li>示踪剂实验系统（图3）<ol><li>安装特殊适配器，用于在入口和出口附近安装探头。在这些适配器中安装pH探头，并将其连接到数据记录仪。</li>
		<li>将传感器安装在尽可能靠近漏斗的位置，以减少 HRT 计算中的误差。</li>
		<li>准备 1 mL NaOH 溶液（浓度：0.2 M）用作化学示踪剂，注入射流的水流中。 注意：由于氢氧化钠水溶液是强碱，因此在pH30中显示为峰状增加。</li>
		<li>安装一个带有三个开口的适配器，用于连接示踪剂注射系统，该系统由一个阀门和一个注射器组成，然后是靠近入口的pH探头。</li>
	</ol></li>
	<li>溶氧实验系统（图3）<ol><li>将两个氧传感器点粘在两个不同玻璃适配器的内壁上，将它们尽可能靠近漏斗的入口和出口，并将它们连接到水管。 注意：在操作过程中，水必须完全覆盖贴纸。</li>
		<li>将带有氧传感器点的玻璃适配器安装在漏斗的入口和出口附近，并将聚合物光纤的尖端（长 2 m）固定在玻璃另一侧的贴纸上。</li>
		<li>将水温传感器安装在漏斗入口附近，与pH探头的适配器相同。确保它靠近光纤，因为水温用于关联溶解氧测量值。</li>
		<li>将聚合物光纤和温度传感器连接到光纤氧变送器。</li>
		<li>将光纤氧变送器连接到安装了专用软件的笔记本电脑上，以显示来自传感器的信号，该信号与溶解氧浓度和水温有关。</li>
	</ol></li>
</ol>3. 操作（介质漏斗）
<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。确保水流量明显高于形成水涡所需的最大流量（介质漏斗为 1338 L/h）。</li>
		<li>通过转动控制阀调节所需的水流量值。如有必要，在漏斗出口附近挤压夹子，以使水被堵塞在漏斗中，这会导致漏斗上圆柱形部分的水位上升。</li>
		<li>要设置不同的制度，请在一个实验中依次调整漏斗上圆柱形部分的水流量和水位值（表1）。检查水涡的稳定性15分钟。在稳定模式下，水位不应改变。<ol><li>对于扭曲状态，将流速调整为 1194 L/h，将水位调节为 2 cm，将流速调节为 1218 L/h，将水位调节至 5 cm。</li>
			<li>对于直线状态，将流速调整为 1314 L/h，将水位调整为 11 cm，将流量调整为 1338 L/h，将水位调整为 11.7 cm。</li>
			<li>对于受限状态，与扭曲和直线状态相反，通过挤压漏斗出口附近的夹子来产生背压。将流速设置为 882 L/h，将水位设置为 3 cm，将流速设置为 936 L/h，将水位设置为 9 cm。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>示踪剂实验<ol><li>使用数据记录仪校准pH探头，以确保所获得数据的有效性和准确性。<ol><li>制备两种标准溶液，一种pH值高于操作范围（6-10）的pH值，另一种pH值低于操作范围的pH值。在数据记录器中设置它们的值，并在校准过程中逐个测量。之后，数据记录仪校准pH探头。</li>
			<li>在漏斗的入口和出口处安装pH探头，将它们连接到数据记录仪，然后启动记录模式。</li>
		</ol></li>
		<li>开始设置。<ol><li>开始设置，并确保水涡稳定。</li>
			<li>用准备好的NaOH示踪剂混合物填充注射器，并将其连接到示踪剂注射管路。快速拧下注射系统中的阀门，注入示踪液，然后快速拧紧阀门。</li>
		</ol></li>
		<li>执行保存和分析。<ol><li>当pH值稳定下来时，保存示踪液通过玻璃漏斗期间记录的pH峰。</li>
			<li>分析进入和退出峰值，如先前的工作22 中所述，以进行 HRT 计算。为此，取第一个峰值开始时的点进行倒计时，取第二个峰值上的点，将其分成两个面积相等的数字，用于倒计时结束。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>做实验<ol><li>使用带有笔记本电脑和光纤氧变送器的软件校准溶解氧传感器。使用两种液体：一种是无氧的（混合0.1升水和1克亚硫酸钠），另一种用氧气饱和（为此，用空气充气15分钟）。然后，在软件中选择 校准功能 ，依次测量两种液体。</li>
		<li>执行安装和录制。<ol><li>将溶解氧传感器安装在漏斗的入口和出口处。此外，将温度传感器安装在漏斗入口附近。将它们连接到光纤氧变送器，然后启动 录制模式。</li>
			<li>开始设置，并确保水涡稳定。达到DO浓度值稳定的模式并记录数据。 注意：如果读数不稳定，则数据无效，必须重复实验。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
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作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或个人关系似乎会影响本文中报告的工作。

如果地下水泵功率太大，系统无法保持压力，则可以在控制阀之前增加一个额外的排水管以降低压力。校准传感器以获得可靠的结果非常重要，示踪剂实验以确保快速探头。如果探头很慢，那么这将扭曲HRT测量。此外，如果直状态的 HRT 比 MRT 小得多，这可能表明漏斗的切向入口明显低于水位，并且部分示踪液在进入漏斗后下降到排水管，从而导致 HRT 降低。
双曲线绍伯格漏斗中的水涡对水流速非常敏感。系统越小，对流量变化的依赖就越大。如果状态稳定，则漏斗中的水位不应随时间变化。如果不是这种情况，它将上升或下降。因此，值得注意水位，以避免水溢出、由于漏斗内压力增加而导致的裂缝或不必要的制度变化。
为了确定涡旋的状态（方案步骤3.1.3.1-3.1.3.3）及其稳定性，漏斗透明是有利的。出于这个原因，在这项工作中使用了玻璃漏斗。在运输、处理和安装时必须非常小心，并且应注意不要将盖子的螺钉拧得太紧，以免损坏它（协议步骤 2.1.2）。
为了确定HRT，应尽可能多地重复协议步骤3.2.2-3.2.3（至少10x），因为由于系统的高湍流和二次流（泰勒状涡旋）的存在，示踪射流可以分离并通过漏斗的不同方式。例如，Donepudi等人24 和Mulligan等人28 表明，水层越靠近玻璃墙，它移动到排水沟的速度就越快。应始终用去离子水清洗并擦拭探头，以避免将样品和储存溶液混合，这会破坏数据并降低电极储存的质量。
对于溶解氧实验，重要的是在系统输出端获得稳定的氧浓度值（协议步骤3.3.2.2）。如果制度不稳定但系统中的波动不显著，则应平均获得的值。还需要在盖子上有一个通风孔，以允许气流进入系统以进行进一步通风。
尽管该系统的KLa20值和能源效率很高，但由于可用漏斗的水流速低，与其他方法26相比，SOTR值较低;这是目前用于水曝气的双曲线漏斗工业使用的限制。然而，已经证明，对于具有大、中、小漏斗的不同规模，可以实现系统的高效率。由此，我们可以得出结论，通过改变几何形状（尺寸、入口和出口的直径、壁的曲率），可以在不降低曝气效率的情况下显着提高水处理的速度和体积。此外，在表 1 中可以看出，漏斗长度增加 1.1 m 导致 SOTR 增加 100 倍以上。考虑到在一些水处理厂中，水位差可以达到几米，（部分）曝气可以以比目前低得多的成本实现。因此，确定漏斗的不同几何参数如何影响涡流状态的水流速和KLa 20可以为地下水曝气提供廉价且有竞争力的技术。或者，如Schauberger31所示，曝气可用于改善水库，湖泊和河流的质量。

我们的生活与螺旋结构紧密相连。它们几乎存在于一切事物和任何地方，包括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，星系根据对数螺旋3的原理形成和演化。最著名的螺旋是金色螺旋和斐波那契螺旋4，它们有许多应用，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。斐波那契数列的特征是以 0 和 1 开头的数字序列，其后续数字对应于前两个数字的总和。在计算兔子的繁殖率时也可以找到这个序列。螺旋是智人绘制的一些最古老的几何形状之一，例如在哥伦比亚和澳大利亚（公元前 40,000-20,000 年）发现的同心圆1）。列奥纳多达芬奇5试图使用螺旋叶片（来自希腊语ἕλιξπτερόν，或螺旋翼龙，意思是螺旋翼）制造直升机形状的飞行器。遵循同样的原则，飞机设计师伊戈尔·西科斯基（Igor Sikorsky）在450年后建造了第一架批量生产的直升机6。
许多其他例子指出，螺旋流结构可能非常有效且节省费用，因为这种类型的流动在自然界中优先出现。20世纪初，奥地利林务员和哲学家维克多·绍伯格（Viktor Schauberger）意识到了这一点。他说，人类应该研究自然并从中学习，而不是试图纠正它。根据他的想法，他建造了相当不寻常的原木水槽来漂浮木材;水槽没有在两点之间走最直的路径，而是沿着山谷和溪流的蜿蜒而行。这种设计使水沿其轴线螺旋旋转，从而形成涡流，从而减少了用水量并产生了显着超过正常7的输送速率。
跟随父亲的脚步，维克托的儿子沃尔特利用水涡流8开发了新技术，用于各种目的：饮用水处理，工业过程，池塘和水道的恢复，池塘和小湖泊的氧化，以及河流调节和恢复。其中一个想法最近引起了相当大的兴趣，即使用双曲漏斗8进行水处理，其中涡流仅由水流产生，没有任何搅拌装置。它已被证明是氧化地下水中铁的非常有效的方法 9,10.该技术的局限性在于，对于低pH值水11，效率较低。
荷兰的大量饮用水是从地下水源获得的12，其中铁的浓度可以达到每升几十毫克13，而标准14认为0.2毫克/升是可以接受的。大多数饮用水厂使用曝气作为在水净化过程中降低铁浓度的第一步。在大多数情况下，曝气的目的是增加溶解氧含量，从水中去除气体和其他相关物质，或两者兼而有之15。曝气有多种方法可以将氧气引入液体介质中。这些方法包括使用混合器或涡轮机搅拌液体表面，并通过宏观孔或多孔材料释放空气16。
van de Griend17证明了铁氧化的化学过程，其中氧分子从亚铁中获取电子并与自由质子反应形成水，而铁离子被氧化（方程[1]）：
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq01.jpg" style="margin: auto;">， （1）
然后铁离子沉淀为Fe（OH）3，因为它与水反应，释放出质子（方程[2]）：
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq02.jpg" style="margin: auto;">（二）
总反应由公式（3）给出：
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq03.jpg" style="margin: auto;">.    （三）
在曝气中，最常应用的技术是级联、塔式、喷雾和板式曝气系统18,19。这些技术的缺点是它们消耗了所有能源的50%至90%20和高达40%的预算用于处理设施的运行和维护21。
使用双曲线漏斗进行曝气可以显着降低成本并提高该过程的效率。双曲线漏斗由于其几何形状和没有移动部件的事实而对堵塞不太敏感，这意味着能量仅用于泵送水。这样的系统可以通过几个参数来表征，例如漏斗每小时的水流量（φ），平均停留时间（MRT），水力保持时间（HRT），氧气体积传质系数（KLa 20）（校正为20°C的标准温度），标准氧气转移速率（SORT）和标准曝气效率（SAE）。需要漏斗的流速来计算一定时间内可以处理的水量。MRT是根据特定状态下的水流速与其在漏斗中的体积之比计算的，使用公式（4）：
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq04.jpg" style="margin: auto;">（四）
其中 V 表示反应器中的液体体积。
HRT可以通过其停留时间分布函数使用示踪技术22进行实验测定。HRT 提供了对混合过程、滞留和分离现象的基本见解23.Donepudi24表明，水射流离入口越远，它向出口移动的速度就越快。在初始时刻，水被切向泵送到漏斗的上圆柱形部分。然后，在重力的影响下，加上系统的几何形状，切向速度减小，轴向速度增加。氧气体积传质系数KLa 20（单位倒数时间）表示系统促进氧气转移到液相10的能力。可以根据公式（5）计算25,26： 
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq05.jpg" style="margin: auto;">（五）
其中C out是散装液体中的溶解氧（DO）浓度，C in是进料中的DO浓度，Cs是饱和时的DO浓度，T是水温。
SORT值是系统转移到液相的氧气的标准速率，由公式（6）27确定：
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq06.jpg" style="margin: auto;">（六）
其中 <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq08.jpg" style="margin: auto;"> ，温度为20°C时饱和时的DO。 可以为某个过程定义SOTR值，在这种情况下，通过假设1小时的处理时间（特定于过程的SOTR）来归一化公式（6）中使用的体积，以便可以将中试规模的曝气方法与实际规模系统进行比较。对于漏斗中某个状态的能力，必须计算系统特定的 SOTR，它使用漏斗内的水量作为（特定于状态的）水力停留时间。在计算给定漏斗中制度的实际曝气能力时，该值很重要。
SAE 是 SOTR 与曝气消耗功率之间的比率。由于能量仅用于将水泵送到漏斗顶部并为其提供必要的流量以形成涡流，因此将其计算为每小时泵送的水体积的势能之和，对应于漏斗的长度和水所需的动能，以使用公式 （7） 创建涡流27：
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq07.jpg" style="margin: auto;">（七）
其中 Pp 是将泵送的水提升到漏斗高度所需的势功率（以千瓦为单位）， Pk是在漏斗顶部泵送的水获得足够流量以产生涡流所需的动能（以千瓦为单位）。通常，对于公式（7），应使用系统特定的SOTR。如果改为应用特定于过程的 SOTR，则会产生（理论）系统的能耗，液压保持时间为 1 小时。
这些参数足以评估使用该技术的有效性和可行性，但不能描述过程本身。应该提到的是，涡旋是流体动力学中最不为人所知的现象之一。因此，在这个方向上投入了大量的研究工作。寻找流体动力学中涡旋的一般规律和规则的主要挑战之一是几何边界条件总是存在变化，这会影响涡旋的发展并显着影响其形成和动力学。因此，可以合理地假设自由表面涡旋（FSV）不能被视为类似于实验室型受限涡旋。然而，Mulligan等人28 对泰勒-库埃特流（TCF）表明，如果将FSV的空芯视为以与空气芯相同速度旋转的虚拟内圆筒，则可以类似地处理两者。这样，代表自由表面涡流场的方程可以用虚拟圆柱体的角速度条件代替，从而得到TCF系统的方程。还证明，如果假想圆柱体的转速增加，在某个点，类似泰勒的涡旋28 表现为次级流场，然后在接近壁时消失。
在Niemeijr 29表明可以在Schauberger漏斗中获得三种不同类型的水涡（扭曲，直线和受限）（图1和图2）之后，Donepudi24使用与Mulligan等人相同的方法使用计算流体动力学（CFD）模拟涡流状态，从而分析其流场的组织以了解其基础物理机制。该系统非常湍流，二次流场非常不稳定，其特点是出现了大量泰勒状涡流。从气相到液相的气体输送受扩散、平流和反应的支配。因此，为了提高该过程的效率，有必要增加气体浓度梯度或液体的体积运动。后者直接取决于系统以泰勒状涡流的形式出现的湍流，这有助于饱和流体元素从界面输送到散装液体中。在关于该主题9的另一项工作中，比较了不同涡流状态的主要参数，例如水流速，KLa 20和SOTR。这项研究显示出这项技术的巨大前景，因为与其他用于水曝气的方法相比，该系统能够实现非常快速的气体传输。
本文的目的是提供和演示该方法，用于在双曲Schauberger漏斗（小：高26厘米，顶径15厘米;中：高94厘米，顶径30厘米;大：高153厘米，顶部直径59厘米）中创建不同的水涡流状态，以实现高效的水曝气。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1-/2-channel transmitter</td>
			<td>Endress+Hauser</td>
			<td>CM442</td>
			<td>Data logger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Control valve</td>
			<td>+GF+</td>
			<td>625DN20</td>
			<td>Typ514</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Logger</td>
			<td>Endress+Hauser</td>
			<td>CM442</td>
			<td>Liquiline</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber Optic Oxygen Transmitter</td>
			<td>PreSens</td>
			<td>SACN0002000005</td>
			<td>Fibox 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Elbow Connector</td>
			<td>Custom made</td>
			<td>-</td>
			<td>Adapter for the pipeline</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Groundwater pump</td>
			<td>SAER</td>
			<td>3637899</td>
			<td>H/150</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>any</td>
			<td>any</td>
			<td>Windows 10 or higher</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large glass funnel</td>
			<td>Custom made</td>
			<td>-</td>
			<td>94 cm high</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen Calculator</td>
			<td>PreSens</td>
			<td>v. 3.1.1</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen Sensor Spots</td>
			<td>PreSens</td>
			<td>NAU-D5-YOP</td>
			<td>SP-PSt3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH connector</td>
			<td>Custom made</td>
			<td>-</td>
			<td>Adapter for the pH probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH sensor</td>
			<td>Endress+Hauser</td>
			<td>CPS11</td>
			<td>Orbisint CPS11</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polymer Optical Fiber</td>
			<td>PreSens</td>
			<td>POF-L2.5-2SMA</td>
			<td>OXY-1 SMA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber gasket</td>
			<td>ERIKS</td>
			<td>11535207</td>
			<td>141x197x2mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber gasket</td>
			<td>ERIKS</td>
			<td>12252766</td>
			<td>273x340x3mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Small glass funnel</td>
			<td>Custom made</td>
			<td>-</td>
			<td>26 cm high</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water flow meter</td>
			<td>Endress+Hauser</td>
			<td>P7066819000</td>
			<td>Picomag</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water flow meter</td>
			<td>Kobolt</td>
			<td>5NA15AC34P</td>
			<td>MIK</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Temperature Connector</td>
			<td>PreSens</td>
			<td>-</td>
			<td>Pt100</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of free-surface hyperbolic water vortices

自由表面涡流存在于工业中的流量调节、能量耗散和能量产生中。尽管进行了广泛的研究，但缺乏关于自由表面涡的详细实验数据，特别是关于界面处的湍流。本文报告了沃尔特·绍伯格（Walter Schauberger）在1960年代首次提出的一种特殊类型的自由表面涡旋，其氧体积传质系数超过了类似系统的值。这种特殊类型的涡流在双曲线漏斗中形成。不同的稳定状态可以用不同的水力特性来稳定。该技术的其他优点是其能源效率、简单的设计和可扩展性。该双曲线漏斗中的流动特征是强烈的湍流和空气-水界面的表面积增加。局部压力沿表面强烈变化，导致明显的波浪状空气 - 水边界层。由于螺旋流，这些扰动向内移动，随之拉动边界层。由此产生的压力梯度将一定的空气量吸入水涡。本文介绍了基本双曲漏斗设置的构建和操作示例，包括三种不同稳定制度的高速可视化。

Schauberger双曲漏斗中的水涡以不同的状态（扭曲，直线和受限）形成（图1）。结果，水中富含大气中的氧气，并促进了水中化学物质的氧化。该系统除了将水泵入双曲漏斗的上部外，不需要能量。
扭曲状态具有双螺旋形状和水和空气之间最大的界面。为了创建它，有必要应用平均水流量（小漏斗为 75-78 L/h，中型漏斗为 1,194-1,218 L/h，大漏斗为 4,834-5,032 L/h）。小漏斗在漏斗上圆柱部分的高度不应超过2厘米，中型漏斗不应超过7厘米，大漏斗不应超过16厘米。
直线状态具有光滑的直线形状和水和空气之间的较小界面。这种状态需要最大水流量（小漏斗为 93-100 L/h，中型漏斗为 1,314-1,338 L/h，大漏斗为 5,102-5,289 L/h）。它的高度可以到达所有漏斗的盖子。
根据水位的不同，受限状态可以采取扭曲和直线涡流的形式。然而，这种制度的特点是它的长度会根据背压的应用而变化，这与以前的模式不同，以前的模式没有施加压力。它也形成在漏斗的顶部;然而，随着背压的增加，它的尾巴开始缩短，涡旋逐渐从底部消失。它的水流量非常小（小漏斗为 58-70 L/h，中型漏斗为 882-936 L/h，大漏斗为 2,351-2,634 L/h），其高度可以是最小和最大，具体取决于漏斗几何形状。
不同的状态可以根据水流速、背压和系统几何形状相互稳定和转换。水流速、氧气体积传质系数和标准氧气转移速率等参数表征曝气效率。可以看出，对于低水流速的扭曲涡，K L a 20最高（图4），对于直线和受限状态，比KLa 20高几倍，比传统系统的相同指标高数十倍，传统系统也用于湖泊和河流的曝气（Air Jet， 叶轮，桨）并且能量密集得多。随着水流量的进一步增加，KLa 20逐渐降低，但水位，即系统中的水量增加。在某个阈值之后，扭曲的政权切换到直线制度。对于每种制度，当它们的体积和水力参数不变时，都有固定条件。
然而，当比较小型、中型和大型漏斗的类似制度时，系统的水流速和体积之间的差异是显着的。然而，与此同时，KLa20值的比率变化不大。在扭曲状态下，小漏斗的最大值为83 h-1，介质漏斗的最大值为60 h-1，大漏斗的最大值为79 h-1。
同时，当KLa 20随着水流量的增加而降低时，MRT增加，表明水通过漏斗需要更多时间，如Donepudi24详细描述的那样。然而，对于KLa 20，MRT的值对于不同漏斗中的扭曲和直线状态大致相同。小漏斗的MRT从10 s到43 s不等，中型漏斗的MRT从14 s到30 s不等，大漏斗的MRT从24 s到43 s不等（表1）。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig01.jpg"> 图 1：26 cm 高的玻璃双曲线 Schauberger 漏斗中的水涡流状态。 （A） 扭曲 （75 L/h）， （B） 直 （100 L/h）， （C） 受限 （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大图。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig02.jpg"> 图 2：94 cm 高的玻璃双曲线 Schauberger 漏斗中的水涡流状态。 （A） 扭曲 （1,194 升/小时）， （B） 直 （1,314 L/h）， （C） 受限 （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大图。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig03.jpg"> 图 3：用于协议步骤 3.1-3.3 中描述的实验的设置草图。 （1）地下水泵;（2）控制阀;（3）水流量计;（4、5）用于溶解氧检测的聚合物光纤;（6、7）pH探头;（8）温度传感器;（9）带示踪剂的注射器;（10）阀门;（11）绍伯格双曲漏斗;（12）光纤氧变送器;（13） 笔记本电脑;（14）数据记录仪;（15）夹具;（16）排水。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig04.jpg"> 图 4：大型漏斗设置的照片。 （1）地下水库;（2）水泵;（3）水流量计;（4）带示踪剂的注射器;（5、6）带氧传感器点的玻璃适配器;（7）、（8）pH探头;（9）绍伯格双曲漏斗;（10）排水。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
<table fo:font-size="8px"><tbody><tr><td>漏斗</td>
			<td>政权</td>
			<td>φ （升/小时）</td>
			<td>HRT （s）</td>
			<td>捷运 （s）</td>
			<td>吉隆坡A20 四门轿车（H-1）</td>
			<td>五 （L）</td>
			<td>水平（厘米）</td>
			<td>碳含量 （毫克/升）</td>
			<td>C输出 （毫克/升）</td>
			<td>SOTR （gO 2/h）</td>
			<td>SAE （g O 2/kWh）</td>
		</tr><tr><td rowspan="6">小</td>
			<td rowspan="2">扭曲的</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</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">限制</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">中等</td>
			<td rowspan="2">扭曲的</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</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">限制</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</td>
			<td rowspan="2">扭曲的</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</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">限制</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和曝气效率参数。

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Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

本文描述了如何在双曲Schauberger漏斗中创建三种不同的水涡流状态，它们最重要的特征，以及如何计算氧转移速率等相关参数。

自由表面双曲水涡的制备

Free surface vortices are present in industry in flow regulation, energy dissipation, and energy generation. Although investigated extensively, detailed ...

这些方法描述了新的高效水曝气技术，因为曝气是水处理中最昂贵的部分。与其他方法相比，该技术可以以更快的速度溶解氧气，同时使用最少的能量。高效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不同漏斗进行实验以实现特定制度时。要开始设置实验，请打开流量计并启动地下水泵。打开控制阀，将水流量调整为明显高于形成水涡所需的最大流量。如有必要，拧紧漏斗出口附近的夹子，并提高漏斗顶部圆柱形部分的水位。接下来依次修改漏斗上圆柱部分的水流和水位值，以设置扭曲和笔直状态。对于受限状态，挤压漏斗出口附近的夹子以产生背压，并将流速设置为每小时 882 升，水位设置为 3 厘米。然后将流速更改为每小时 936 升，将水位更改为 9 厘米。对于示踪剂实验，通过制备两种高于和低于操作范围的标准pH溶液来校准pH探头。测量一种标准pH溶液的pH值，并在校准期间在数据记录器中设置该值。同样，测量较高pH溶液的pH值并在数据记录器中进行设置。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。启动录制模式。接下来开始实验，确保水涡稳定。用准备好的氢氧化钠示踪剂混合物填充注射器，并将其连接到示踪剂注射管路。快速拧下注射系统中的阀门。然后注入示踪液，最后快速拧紧阀门。pH稳定后，保存示踪液通过玻璃漏斗期间记录的pH峰。要分析用于HRT计算的入口和出口峰，请将pH转换为氢氧化钠浓度峰，并以第一个峰的起点进行倒计时。然后取第二个峰值上的点，将其分成两个面积相等的数字以结束倒计时。对于溶解氧实验，将溶解氧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变送器。然后开始设置，确保水涡稳定。开始记录模式，一旦DO浓度稳定，记录数据。扭曲状态具有双螺旋形状和水和空气之间的最大界面，而直线状态具有光滑的直线形状和较小的水与空气之间的界面。受限制度采取扭曲或笔直的漩涡形式，具体取决于水位;但是，其长度根据背压的应用而变化。应快速控制水流以避免溢出，应使用校准的传感器以获得可靠的数据。我们正在进行的项目涉及开发一种新的废水处理技术，该技术集成等离子体排放以在气体空间中产生氧化剂，并集成水涡流以将其溶解在水中。

Research

JoVE Journal

Engineering

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

控制的大小，形状和稳定性超分子聚合物在水

For aqueous based supramolecular polymers, the simultaneous control over shape, size and stability is very difficult1. At the same time, the ability to do ...

科研

工程学

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials

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High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the ...

Preparation and 3D Tracking of Catalytic Swimming Devices

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We report a method to prepare catalytically active Janus colloids that "swim" in fluids and describe how to determine their 3D motion using fluorescence ...

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The fabrication of devices containing thin film composite membranes necessitates the transfer of these films onto the surfaces of arbitrary support ...