[发明专利]切应力相等旋转圆盘电极等效模拟管道水流动状态的方法

权利要求书

1.一种切应力相等旋转圆盘电极等效模拟管道水流动状态的方法，其特征是，步骤如下：

第一步：依托边界层的概念，确定基于切应力相等原则的等效模拟的合理性，建立再生水对实际管道壁面的切应力方程；

第二步：分析圆盘电极旋转时附近溶液的流动状态，建立由旋转电极带动的水流在圆盘电极工作表面形成的切应力方程；

第三步：根据切应力相等原则，以旋转圆盘电极等效模拟再生水管道流动状态，建立等效模拟方程；

第四步：根据实际再生水管道管径及流速资料，将各参数代入等效模拟方程，经计算选取旋转圆盘电极转速范围，根据旋转圆盘电极转速范围设置旋转圆盘电极转速梯度，实现对实际再生水管道管流状态的模拟。

2.如权利要求1所述的切应力相等旋转圆盘电极等效模拟管道水流动状态的方法，其特征是，第一步：建立再生水对实际管道壁面的切应力方程，具体步骤如下：

对实际管道来说：

式中：τ₀为管壁上的切应力，Pa；λ为沿程阻力系数；ρ为流体密度，kg/m³；v为断面平均流速，m/s；

对实际再生水管道来说，圆管中液流状态为紊流，故有：

式中：△为壁面当量粗糙度；d为管段管径。

3.如权利要求1所述的切应力相等旋转圆盘电极等效模拟管道水流动状态的方法，其特征是，第二步：建立由旋转电极带动的水流在圆盘电极工作表面形成的切应力方程，具体过程如下：

溶液的流动分解为三个方向：由于离心力的存在，溶液在径向以流速v_r向外流动；由于溶液的黏性，在圆盘旋转时，溶液以切向流速向切向流动；在电极附近这种向外的溶液流动使得电极中心区溶液的压力下降，于是离电极表面较远的溶液向中心区补充，形成轴向流动，流速为v_y；

对于用于电化学研究的旋转圆盘电极，重要的速度是径向流速v_r与法向流速v_y，当靠近圆盘表面y→0或r→0时有：

v_y＝-0.51ω^3/2ν^-1/2y²                  (3)

v_r＝0.51ω^3/2ν^-1/2ry                   (4)

式中：v_y为法向流速，v_r为径向流速，ω为RDE角速度，ν为流体运动粘滞系数，r为距圆盘中心的径向距离，y为距圆盘表面的法向距离；

对旋转圆盘电极来说：

式中：τ^‘₀为电极表面切应力，μ为流体动力粘滞系数，v为流速，y为至圆盘表面的法向距离；

将式(5)与式(4)联立，得：

τ‘₀＝0.51μω^3/2v^-1/2r                   (6)

采用加权平均的方法进行计算平均切应力T：

T＝0.51μω^3/2v^-1/2{0.2R×π×(0.2R)²+0.3R×π×[(0.4R)²-(0.2R)²]+0.5R×π×[(0.6R)²-(0.4R)²]+0.7R×π×[(0.8R)²-(0.6R)²]+0.9R×π×[R²-(0.8R)²]}

4.如权利要求1所述的切应力相等旋转圆盘电极等效模拟管道水流动状态的方法，其特征是，第三步：建立等效模拟方程，将式(7)、式(1)、式(2)联立，得等效模拟方程：

τ‘₀＝τ₀