Name: preparation of free-surface hyperbolic water vortices
Uploaded: 2023-07-28T13:50:00
Duration: 4 min 35 s
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本研究は、Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) の協力体制のもと、応用水物理学のテーマの中で行われました。Wetsusは、オランダ経済省とインフラ環境省、フリースラント州、オランダ北部の州によって共同設立されました。この研究は、マリー・スクロドフスカ・キュリー助成契約第665874号に基づく欧州連合のホライズン2020研究およびイノベーションプログラムおよびギルバートアームストロングラボから資金提供を受けています。マールテン・V・ヴァン・デ・グリエンドのこの作業への支援に高く感謝します。

1. 一般的な推奨事項
<ol><li>セットアップを開始する前に、すべてのパイプ接続に漏れがないか確認してください。</li>
	<li>漏斗の蓋が所定の位置にあり、しっかりと固定されていることを確認してください。</li>
	<li>地下水中の鉄濃度が高いために黄色に変わる可能性があるため、各実験の前後に漏斗をブラシとガラスクリーナーで清掃してください。</li>
</ol>2. 実験のセットアップ
<ol><li>水渦システム(図3)<ol><li>ガラス漏斗(図4)を特別なフレームの垂直位置にしっかりと固定します-漏斗の円筒形の直径に対応し、漏斗が収まるのに十分な大きさですが、大きすぎない4本の脚と中央のスロットを備えたボード落下します。フレームが揺れないようにしっかりと固定します。</li>
		<li>漏れを防ぐために、蓋と漏斗の間にゴム製ガスケットを置きます。漏斗の蓋を取り付け、ボルトで締めます。</li>
		<li>ホースとホースコネクタを使用して、地下水ポンプを漏斗の上部円筒部分の接線方向の入口に接続します。</li>
		<li>特別な制御バルブを接続して、ポンプと漏斗の間の水の流量を調整します。コントロールバルブと漏斗の間に水流量計を接続します。</li>
		<li>漏斗の出口をホースで排水口に接続します。漏斗の出口近くの排水ホースにクランプを取り付けて、ユニットの動作中に背圧を発生させます。 注意: クランプは、実験に必要なすべてのアダプターとコネクタの直後に取り付ける必要があります。</li>
	</ol></li>
	<li>トレーサー実験システム(図3)<ol><li>入口と出口の近くにプローブを取り付けるための特別なアダプターを取り付けます。これらのアダプターにpHプローブを取り付け、データロガーに接続します。</li>
		<li>HRT計算の誤差を減らすために、センサーを漏斗のできるだけ近くに設置してください。</li>
		<li>ジェットの水流に注入する化学トレーサーとして使用するNaOH溶液(濃度:0.2 M)を1 mL用意します。 注:水酸化ナトリウム水溶液は強塩基であるため、pH30ではピーク様の増加として表示されます。</li>
		<li>入口近くのpHプローブの前にバルブとシリンジで構成されるトレーサー注入システムを接続するための3つの開口部を備えたアダプターを取り付けます。</li>
	</ol></li>
	<li>DO実験システム(図3)<ol><li>2つの異なるガラスアダプターの内壁に2つの酸素センサースポットを接着し、漏斗の入口と出口のできるだけ近くに配置して、水道パイプラインに接続します。 注意: 操作中は、水がステッカーを完全に覆う必要があります。</li>
		<li>漏斗の入口と出口の近くに酸素センサースポットを備えたガラスアダプターを取り付け、ポリマー光ファイバー(長さ2 m)の先端をガラスの反対側のステッカーに固定します。</li>
		<li>漏斗入口の近くに水温センサーをpHプローブと同じアダプターに取り付けます。水温はDO測定値を相関させるために使用されるため、ファイバーに近いことを確認してください。</li>
		<li>ポリマー光ファイバーと温度センサーを光ファイバー酸素送信機に接続します。</li>
		<li>溶存酸素濃度と水温に関連するセンサーからの信号を表示するために、特別なソフトウェアがインストールされたラップトップに光ファイバー酸素トランスミッターを接続します。</li>
	</ol></li>
</ol>3.操作(中ファネル)
<ol><li>渦レジーム<ol><li>流量計の電源を入れます。地下水ポンプを始動し、制御バルブを全開にします。水の流れが、水の渦を形成するために必要な最大流量(中漏斗の場合は1338 L / h)よりも大幅に高いことを確認してください。</li>
		<li>コントロールバルブを回して、水流の希望の値を調整します。必要に応じて、漏斗の出口近くのclを握りますamp 漏斗内で水が遮断されるようにすると、漏斗の上部円筒部分の水位が上昇します。</li>
		<li>異なるレジームを設定するには、漏斗の上部円筒部分の水流と水位の値を1回の実験で順番に調整します(表1)。水の渦の安定性を15分間確認します。安定モードでは、水位は変化しないはずです。<ol><li>ツイストレジームの場合は、流量を1194 L / hに、水位を2 cmに、流量を1218 L / hに、水位を5 cmに調整します。</li>
			<li>ストレートレジームの場合は、流量を1314 L / hに、水位を11 cmに、流量を1338 L / hに、水位を11.7 cmに調整します。</li>
			<li>制限された体制では、ねじれたまっすぐな体制とは対照的に、漏斗の出口近くのクランプを絞ることによって背圧を作り出します。流量を882 L/h、水位を3 cm、流量を936 L/h、水位を9 cmに設定します。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>トレーサー実験<ol><li>データロガーを使用して、pHプローブを校正し、得られたデータの有効性と正確性を確保します。<ol><li>動作範囲(6〜10)のpHよりも高いpHと、動作範囲のpHよりも低いpHの2つの標準溶液を調製します。データロガーに値を設定し、キャリブレーション中に1つずつ測定します。その後、データロガーはpHプローブを校正します。</li>
			<li>漏斗の入口と出口にpHプローブを取り付け、データロガーに接続して、記録モードを開始します。</li>
		</ol></li>
		<li>セットアップを開始します。<ol><li>セットアップを開始し、水の渦が安定していることを確認します。</li>
			<li>調製したNaOHのトレーサー混合物をシリンジに充填し、トレーサー注入ラインに接続します。注入システムのバルブをすばやく緩め、トレーサー液を注入してから、バルブをすばやくねじ込みます。</li>
		</ol></li>
		<li>保存と分析を実行します。<ol><li>pHが安定したら、トレーサー液をガラス漏斗に通す間に記録されたpHピークを保存します。</li>
			<li>HRT計算のための以前の作業22 で説明したように入口および出口のピークを分析する。これを行うには、カウントダウンの最初のピークの始点を取り、カウントダウンの最後に、等しい面積の2つの数字に分割する2番目のピークの点を取ります。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>実験を行う<ol><li>ラップトップと光ファイバー酸素送信機を備えたソフトウェアを使用してDOセンサーを校正します。2つの液体を使用してください:1つは無酸素(0.1 Lの水と1 gの亜硫酸ナトリウムを混合する)、もう1つは酸素で飽和させる(これを行うには、15分間空気で通気する)。次に、ソフトウェアで キャリブレーション機能 を選択し、両方の液体を順番に測定します。</li>
		<li>インストールと記録を実行します。<ol><li>漏斗の入口と出口にDOセンサーを取り付けます。さらに、漏斗入口の近くに温度センサーを取り付けます。それらを光ファイバー酸素送信機に接続し、 録音モードを開始します。</li>
			<li>セットアップを開始し、水の渦が安定していることを確認します。DOの濃度値が安定しているモードに到達し、データを記録します。 注意: 測定値が安定していない場合、データは無効であり、実験を繰り返す必要があります。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
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著者らは、この論文で報告された研究に影響を与えたと思われる可能性のある既知の競合する金銭的利益や個人的な関係はないと宣言しています。

地下水ポンプが強力すぎてシステムが圧力を保持できない場合は、制御バルブの前にドレンを追加して圧力を下げることができます。信頼性の高い結果を得るためにセンサーを校正し、トレーサー実験で高速プローブを確保することが非常に重要です。プローブが遅い場合、HRT測定値が歪んでしまいます。さらに、HRTがストレートレジームのMRTよりもはるかに小さい場合、これは漏斗への接線方向の入り口が水位を大幅に下回っており、トレーサー液の一部が漏斗に入った後に排水口に下がっていることを示している可能性があり、HRTが低下しています。
双曲線シャウベルガー漏斗内の水渦は、水の流量に非常に敏感です。システムが小さいほど、フローの変化に依存するようになります。体制が安定していれば、漏斗内の水位は時間とともに変化しないはずです。そうでない場合は、上昇または下降します。したがって、水のオーバーフロー、漏斗内の圧力の上昇による亀裂、または不要な体制変更を避けるために、水位に注意を払う価値があります。
渦のレジーム(プロトコルステップ3.1.3.1-3.1.3.3)とその安定性を決定するには、漏斗が透明であることが有利です。このため、この作業ではガラス漏斗が使用されました。輸送、取り扱い、設置には細心の注意を払う必要があり、蓋を傷つけないようにネジを締めすぎないように注意する必要があります(プロトコルステップ2.1.2)。
HRTを決定するには、システムの高い乱流と二次流(テイラー様渦)の存在により、トレーサージェットが分離して漏斗をさまざまな方向に移動できるため、プロトコルステップ3.2.2〜3.2.3をできるだけ多く(少なくとも10倍)繰り返す必要があります。たとえば、Donepudiら24 とMulligan et al.28 によって、水層がガラス壁に近いほど、排水管への移動が速くなることが示されました。プローブは常に脱イオン水で洗浄し、サンプルと保存液が混ざらないように拭いて、データを台無しにし、電極保管の品質を低下させる可能性があります。
DO実験では、システムの出力で安定した酸素濃度値を達成することが重要です(プロトコルステップ3.3.2.2)。レジームが安定していないが、システムの変動が大きくない場合は、得られた値を平均化する必要があります。さらに通気するためにシステムへの空気の流れを可能にするために、換気のために蓋に穴を開けることも必要です。
KLa20の高い値とこのシステムのエネルギー効率にもかかわらず、利用可能な漏斗の水流量が低いため、SOTR値は他の方法26と比較して低くなります。これは現在、水曝気のための双曲線漏斗の産業的使用に対する制限である。ただし、システムの高効率は、大、中、小の漏斗を備えたさまざまなスケールで達成できることが実証されています。このことから、形状(寸法、入口と出口の直径、壁の曲率)を変更することにより、曝気効率を低下させることなく、水処理の速度と量を大幅に増やすことができると結論付けることができます。また、表1では、漏斗長が1.1m増加すると、SOTRが100倍以上上昇することがわかる。一部の水処理プラントでは、水位差が数メートルに達する可能性があるという事実を考慮すると、(部分的な)曝気は現在よりもはるかに低コストで達成できます。したがって、漏斗のさまざまな幾何学的パラメータが渦流レジームの水流量とKLa 20にどのように影響するかを決定することは、地下水の曝気のための安価で競争力のある技術を提供することができます。あるいは、Schauberger31によって示されるように、曝気を使用して、貯水池、湖、および河川の水質を改善することができる。

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])。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq01.jpg" style="margin: auto;">、(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])。
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
全反応は式 (3) で与えられます。
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq03.jpg" style="margin: auto;">.    (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。
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq04.jpg" style="margin: auto;">(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。 
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq05.jpg" style="margin: auto;">(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。
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq06.jpg" style="margin: auto;">(6)
ここで <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq08.jpg" style="margin: auto;"> 、 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。
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/64516/64516eq07.jpg" style="margin: auto;">(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、Pk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、KLa20、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。

<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

自由表面渦は、流量調節、エネルギー散逸、およびエネルギー生成において産業に存在します。広範囲に調査されていますが、自由表面渦に関する詳細な実験データ、特に界面の乱流に関する詳細な実験データは不足しています。本論文では、1960年代にWalter Schaubergerによって最初に提案された、同様のシステムの値を超える酸素体積物質移動係数を持つ特殊なタイプの自由表面渦について報告します。この特殊なタイプの渦は双曲線漏斗に形成されます。異なる油圧特性で、異なる安定したレジームを安定させることができます。この技術の他の利点は、そのエネルギー効率、シンプルな設計、およびスケーラビリティです。この双曲線漏斗の流れは、強い乱流と空気 - 水界面の表面積の増加によって特徴付けられる。局所的な圧力は表面に沿って強く変化し、その結果、顕著な波状の空気 - 水境界層が生じる。らせん流により、これらの摂動は内側に移動し、境界層を引っ張ります。結果として生じる圧力勾配は、特定の空気量を水の渦に引き込みます。この作業では、基本的な双曲線漏斗のセットアップの構築と、3つの異なる安定したレジームの高速視覚化を含む操作例を紹介します。

シャウベルガー双曲線漏斗内の水渦は、さまざまなレジーム(ねじれ、直線、制限)で形成されます(図1)。その結果、水は大気中の酸素が豊富になり、水中の化学種の酸化が促進されます。このシステムは、双曲線漏斗の上部に水を汲み上げることを除いて、エネルギーを必要としません。
ねじれた体制は二重らせん形状と水と空気の間の最大の界面を持っています。その作成には、平均水流を適用する必要があります(小さな漏斗の場合は75〜78 L / h、中漏斗の場合は1,194〜1,218 L / h、大きな漏斗の場合は4,834〜5,032 L / h)。漏斗の上部円筒部分の高さは、小さな漏斗の場合は2 cm、中型の漏斗の場合は7 cm、大きな漏斗の場合は16 cmを超えてはなりません。
ストレートレジームは滑らかなストレート形状と水と空気の間のより小さな界面を持っています。この体制では、最大水流が必要です(小さな漏斗の場合は93〜100 L / h、中型の漏斗の場合は1,314〜1,338 L / h、大きな漏斗の場合は5,102〜5,289 L / h)。その高さはすべての漏斗のカバーに達することができます。
水位に応じて、制限された体制はねじれた渦とまっすぐな渦の両方の形をとることができます。ただし、このレジームの特徴は、圧力が加えられていない以前のモードとは異なり、背圧の適用に応じて長さが変化することです。漏斗の上部にも形成されます。しかし、背圧が増加すると、尾は短くなり始め、渦は徐々に底部から消えていきます。その水流は非常に小さく(小さな漏斗の場合は58-70 L / h、中型の漏斗の場合は882-936 L / h、大きな漏斗の場合は2,351-2,634 L / h)、その高さは漏斗の形状に応じて最小と最大の両方になります。
異なるレジームは、水の流量、背圧、およびシステムの形状に応じて、安定化して相互に変換することができます。水の流量、酸素体積物質移動係数、標準酸素移動速度などのパラメータは、曝気効率を特徴付けます。水流量の低いねじれた渦では、K L a 20が最も高く(図4)、直線および制限された体制のKLa20よりも数倍高く、湖や川の曝気にも使用される従来のシステムの同じ指標よりも数十倍高いことがわかります(エアジェット、 インペラ、パドル)であり、はるかにエネルギー集約的です。水流がさらに増加するにつれて、KLA20は徐々に減少したが、水位、すなわちシステム内の水量は増加した。いくつかのしきい値の後、ねじれたレジームはストレートレジームに切り替わりました。各体制について、それらの体積および水力パラメータが変化しない定常条件があった。
ただし、小規模、中規模、および大規模な漏斗の同様のレジームを比較すると、システムの水流量と体積の違いは重要でした。しかし、同時に、KLa20値の比はあまり変化しなかった。ツイストレジームでは、小型漏斗で83 h-1、中漏斗で60 h-1、大型漏斗で79 h-1の最大値が達成されました。
同時に、KL a20が水流の増加とともに減少すると、MRTが増加し、Donepudi24によって詳細に説明されるように、水が漏斗を通過するのにより多くの時間がかかったことを示す。ただし、KLa20に関しては、MRTの値は、異なる漏斗のねじれたレジームとストレートレジームでほぼ同じでした。MRTは、小型漏斗で10秒から43秒、中漏斗で14秒から30秒、大型漏斗で24秒から43秒まで変化しました(表1)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig01.jpg"> 図1:高さ26cmのガラス双曲線シャウベルガー漏斗内の水渦レジーム。 (A)ツイスト(75 L / h)、(B)ストレート(100 L / h)、(C)制限付き(70 L / h)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig02.jpg"> 図2:高さ94cmのガラス製双曲線シャウベルガー漏斗内の水渦レジーム。 (A) ツイスト (1,194 L/h), (B) ストレート (1,314 L/h), (C) 制限付き (882 L/h).<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig03.jpg"> 図3:プロトコルステップ3.1〜3.3で説明されている実験に使用されたセットアップのスケッチ。 (1)地下水ポンプ;(2)コントロールバルブ;(3)水流計;(4,5)DO検出用ポリマー光ファイバ;(6, 7)pHプローブ;(8)温度センサー;(9)トレーサー付きシリンジ;(10)バルブ;(11)シャウベルガー双曲線漏斗;(12)光ファイバ酸素トランスミッタ;(13)ラップトップ;(14)データロガー;(15)クランプ;(16)排水。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64516/64516fig04.jpg"> 図4:大型漏斗のセットアップの写真。 (1)地下水貯水池;(2)ウォーターポンプ;(3)水流計;(4)トレーサー付きシリンジ;(5、6)酸素センサースポット付きガラスアダプター。(7)、(8)pHプローブ;(9)シャウベルガー双曲線漏斗;(10)排水。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64516/64516fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<table fo:font-size="8px"><tbody><tr><td>漏斗</td>
			<td>ちせい</td>
			<td>φ (長さ/時間)</td>
			<td>ティッカー</td>
			<td>ティッカー</td>
			<td>KLa20 (h-1)</td>
			<td>V (長さ)</td>
			<td>レベル(cm)</td>
			<td>Cin (mg/L)</td>
			<td>Cアウト (ミリグラム/リットル)</td>
			<td>ソトル (g O2/h)</td>
			<td>SAE (g O2/kWh)</td>
		</tr><tr><td rowspan="6">小さい</td>
			<td rowspan="2">歪む</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">制限</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">中程度</td>
			<td rowspan="2">歪む</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">制限</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">大きい</td>
			<td rowspan="2">歪む</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">制限</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(図1)、中型(図2)、および大型漏斗の基本的な水力特性と曝気効率パラメータ。

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Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

この論文では、双曲線シャウベルガー漏斗内の3つの異なる水渦レジームを作成する方法、それらの最も重要な特性、および酸素移動速度などの関連パラメータを計算する方法について説明します。

自由表面双曲水渦の作製

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

この方法は、曝気が水処理の最も高価な部分であるため、新しく効率的な水曝気技術について説明しています。この技術は、他の方法と比較して最小限のエネルギーを使用しながら、より速い速度で酸素を溶解することができます。水流と背圧の効率的かつ迅速な調整は、特に特定の体制を達成するために異なるサイズの異なる漏斗で実験を行う場合に、この技術の重要な要素です。実験のセットアップを開始するには、流量計をオンにして地下水ポンプを始動します。コントロールバルブを開き、水渦を形成するために必要な最大流量よりも大幅に高くなるように水流を調整します。必要に応じて、clを締めますamp 漏斗出口の近くで、漏斗の上部円筒部分の水位を上げます。次に、漏斗の上部円筒部分の水流と水位の値を順次変更して、ねじれと直線のレジームを設定します。制限された体制では、漏斗出口近くのクランプを絞って背圧を作り、流量を毎時882リットル、水位を3センチメートルに設定します。次に、流量を毎時936リットルに、水位を9センチメートルに変更します。トレーサー実験では、動作範囲よりも高いpHと低い2つの標準pH溶液を調製して、pHプローブを校正します。1つの標準pH溶液のpH値を測定し、校正中にデータロガーに値を設定します。同様に、より高いpH溶液のpHを測定し、データロガーに設定します。次に、データロガーがpHプローブを校正できるようにします。漏斗の入口と出口にpHプローブを取り付けます。録音モードを開始します。次に実験を開始し、水の渦が安定していることを確認します。調製した水酸化ナトリウムのトレーサー混合物をシリンジに充填し、トレーサー注入ラインに接続します。射出システムのバルブをすばやく緩めます。次に、トレーサー液を注入し、最後にバルブをすばやくねじ込みます。pHが安定したら、トレーサー液をガラス漏斗に通す間に記録されたpHピークを保存します。HRT計算のために入口と出口のピークを分析するには、pHを水酸化ナトリウム濃度ピークに変換し、カウントダウンの最初のピークの開始点を取ります。次に、カウントダウンの終了のために、それを等しい面積の2つの数字に分割する2番目のピークのポイントを取ります。DO実験では、漏斗の入口と出口にDOセンサーを取り付けます。次に、漏斗の入口と出口の近くに温度センサーを取り付けます。各センサーを光ファイバー酸素トランスミッターに接続します。次に、セットアップを開始し、水の渦が安定していることを確認します。記録モードを開始し、DO濃度が安定したら、データを記録します。ねじれたレジームは二重らせん形状で水と空気の界面が最大であったのに対し、ストレートレジームは滑らかなストレート形状で水と空気の界面が小さかった。制限された体制は、水位に応じて、ねじれたまたはまっすぐな渦の形をとりました。しかし、その長さは背圧の適用に応じて変化した。オーバーフローを避けるために水流を迅速に制御し、校正されたセンサーを使用して信頼性の高いデータを取得する必要があります。現在進行中のプロジェクトでは、プラズマ放電によりガス空間に酸化剤を生成し、それを水に溶解する水渦を融合した新しい排水処理技術の開発を進めています。

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