一种给水管道微生物反应模拟装置及其设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种给水管道微生物反应模拟装置及其设计方法，其包括矩形管，矩形管的两端分别连接有进水管和出水管，进水管上设置有加压水泵和阀组；矩形管中部上壁处设置有多个与其内部连通的凹槽，每个凹槽内均设置有一块可拆卸且用于附着微生物群落的玻片，通过模拟软件和计算流体力学模型设计出矩形管，矩形管内水流为非循环流态，可真实模拟管道中水流状态，在一段反应时间后，玻片上会形成微生物群落，直接取下玻片即得到可用于实验分析的微生物群落。生物群落。生物群落。

【技术实现步骤摘要】
一种给水管道微生物反应模拟装置及其设计方法


[0001]本专利技术涉及计算流体力学与环境微生物学领域，特别是涉及一种给水管道微生物反应模拟装置及其设计方法。

技术介绍

[0002]目前，现有技术中的微生物群落生长模拟装置多是保持一定水流通过的条件下，在模拟装置内放置填料从而加大微生物的附着面积，使得水中微生物较多的截留在采样装置上。然而，这样的模拟装置未能考虑实际给水管网的形状、水力条件，此外放置的填料不可避免地会影响装置内水流状态。早有研究表明，给水管内水流速度、管壁附近水流的剪切应力、静压等水力条件都会对管壁生长的微生物群落造成影响。由于已报道的模拟装置多未能模拟实际管网中的水力条件，模拟装置内水体以及采集到的微生物的种类、数量都难保证接近于实际情况。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的上述问题，本专利技术旨在提供一种给水管道微生物反应模拟装置及其设计方法，解决了微生物群落生长模拟装置因其内置有填料影响水流状态而导致无法准确模拟出实际水管中微生物群落的种类和数量的问题。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]提供了一种给水管道微生物反应模拟装置，其包括矩形管，矩形管的两端分别连接有进水管和出水管，进水管上设置有加压水泵和阀组；矩形管中部上壁处设置有多个与其内部连通的凹槽，每个凹槽内均设置有一块可拆卸且用于附着微生物群落的玻片。
[0006]本方案中给水管道微生物反应模拟装置的基本原理为：打开阀组，水在加压水泵的作用下通过进水管以一定初速度进入矩形管内，经过一段时间后满管，水从出水管流出矩形管，在一段反应时间后，玻片上会形成微生物群落，直接取下玻片即得到可用于实验分析的微生物群落。同时，玻片在使用前直接至于120℃高温灭菌锅内灭菌，可保证收集的微生物群落微生物是在模拟装置通水过程中生成的，使用后再度灭菌，可重复使用。
[0007]进一步地，矩形管的尺寸为15000
×
40
×
30mm，由于矩形管的管横截面形状的差异，导致矩形管同圆管内水力条件不可避免的存在差异，为了模拟真实管网内水力条件状况，矩形管的设计尺寸使用仿真模拟，通过CFD计算确定矩形管的尺寸为15000
×
40
×
30mm，使矩形管内的水流为非循环流态，可真实模拟管道中水流状态。
[0008]进一步地，玻片的数量为4块，4块玻片间隔均匀设置在矩形管长度方向的0.4m～1.2m上管壁位置。矩形管近入口处上方留有由于结构造成的未充满区域，因此并非所有的矩形管壁面区域都适用于玻片的放置，而在矩形管0.4m～1.2m位置处管壁剪应力和水流状态趋于稳定，而将玻片设置在矩形管0.4m～1.2m位置处，可以减少管壁剪应力对玻片上微生物群落造成的影响，确保整个微生物反应模拟装置生成的微生物群落与实际给水管网一致。
[0009]进一步地，每块玻片的内侧端面均与矩形管的顶部内壁平齐，可以避免玻片对整个微生物反应模拟装置中水力条件的影响，避免干扰微生物群落的分布和生长。
[0010]进一步地，作为玻片具体的设计尺寸以及如何实现与矩形管的连接，每块玻片的尺寸为760
×
260
×
1mm，每块玻片的上表面均设置有多根连接螺钉，每块玻片均通过根连接螺钉与矩形管固定连接。
[0011]进一步地，用于模拟DN40圆管中微生物群落的生长，进水管中水流速度为0.6m/s。
[0012]本方案还提供一种给水管道微生物反应模拟装置的设计方法，其包括：
[0013]步骤1：选取实际给水管段并确定实际给水管段的尺寸和流速；
[0014]步骤2：通过建模软件根据实际给水管段的尺寸和流速参数建立实际给水管CFD模型；
[0015]步骤3：根据实际给水管CFD模型确定实际给水管内影响微生物群落的水力条件；
[0016]步骤4：通过建模软件建立矩形管CFD模型，根据矩形管CFD模型并确定其影响微生物群落的初始水力条件：
[0017]步骤5：对比实际给水管内影响微生物群落的水力条件与矩形管CFD模型影响微生物群落的初始水力条件是否一致，如对比结果一致，则进入步骤6，否则进入步骤7；
[0018]步骤6：得到能够模拟实际给水管内水力条件的矩形管，并将进水管和出水管设置在矩形管两端以及将玻片安装在矩形管上，得到能够模拟实际给水管内水力条件的微生物反应模拟装置；
[0019]步骤7：通过建模软件改变矩形管CFD模型的尺寸、形状和流动状态参数，并确定改变后的矩形管CFD模型影响微生物群落的水力条件，将改变的矩形管CFD模型影响微生物群落的水力条件替换为微生物反应模拟装置影响微生物群落的初始水力条件，进入步骤6。
[0020]进一步地，步骤3、步骤4和步骤7中的建模软件均为Fluent18.0，在建模过程中，对实际给水管CFD模型、微生物反应模拟装置CFD模型和改变后的微生物反应模拟装置CFD模型进行网格划分，且网格划分的数量为15万
‑
37万，网格的最小正交质量数值范围为0～1，网格的最大长宽比数值范围≥1。最小正交质量和最大长宽比作为Fluent网格质量评价指标，网格的最小正交质量数值范围为0～1，最好为1；网格的最大长宽比数值范围≥1，最好为1，所有模型的网格质量保证了模拟的结果的准确性。
[0021]本专利技术的有益效果为：1、本方案中通过模拟软件和计算流体力学模型设计出矩形管，矩形管内水流为非循环流态，可真实模拟管道中水流状态。
[0022]2、通过模拟软件和计算流体力学模型考察了真实管段内部水流状态和水力条件，通过对比实际给水管模型和微生物反应模拟装置模型对微生物反应模拟装置尺寸进行优化，从而使微生物反应模拟装置更接近真实地模拟出给真实管段内的流速、管壁剪应力、静压等水力条件，确保模拟装置壁生成的微生物群落与实际给水管网一致。
[0023]3、本方案中的给水管道微生物反应模拟装置在采样时，只需直接拆下固定于上管壁的玻片，取样过程不影响模拟装置内的微生物环境，玻片的尺寸可以直接用于实验室显微镜、点喷雾解吸电离仪器的直接分析，无需另进行转移，避免微生物群落转移过程中可能出现的干扰，保证了微生物样品的质量。
附图说明
[0024]图1为一种给水管道微生物反应模拟装置的结构示意图。
[0025]图2为矩形管模型上壁剪切应力分布图。
[0026]图3圆管模型上壁剪切应力分布图。
[0027]图4为方管模型流速分布图。
[0028]图5为圆管模型流速分布图。
[0029]图6为方管模型水体量占比图。
[0030]图7为管道微生物群落生长模拟装置参数表格图。
[0031]其中，1、矩形管；2、进水管；3、出水管；4、加压水泵；5、阀组；6、玻片。
具体实施方式
[0032]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，包括矩形管，所述矩形管的两端分别连接有进水管和出水管，所述进水管上设置有加压水泵和阀组；矩形管中部上壁处设置有多个与其内部连通的凹槽，每个所述凹槽内均设置有一块可拆卸且用于附着微生物群落的玻片。2.根据权利要求1所述的给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，所述矩形管的尺寸为15000
×
40
×
30mm。3.根据权利要求2所述的给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，所述玻片的数量为4块，4块玻片间隔均匀设置在所述矩形管长度方向的0.4m～1.2m上管壁位置。4.根据权利要求3所述的给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，每块所述玻片的内侧端面均与所述矩形管的顶部内壁平齐。5.根据权利要求3所述的给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，每块所述玻片的尺寸为760
×
260
×
1mm，每块玻片的上表面均设置有多根连接螺钉，每块玻片均通过根连接螺钉与所述矩形管固定连接。6.根据权利要求3所述的给水管道微生物反应模拟装置，其特征在于，用于模拟DN40圆管中微生物群落的生长，所述进水管中水流速度为0.6m/s。7.一种根据权利要求1～6任一所述的给水管道微生物反应模拟装置的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：选取实际给水管...

【专利技术属性】
技术研发人员：高权，王臻宇，华佩，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：