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1、微生物污垢的生長機(jī)理與傳熱特性的實(shí)驗(yàn)與模擬研究(申請清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：熱能工程系學(xué)科：動力工程及工程熱物理研究生：楊倩鵬指導(dǎo)教師：史琳教授二○一五年四月ExperimentalandModellingResearchonBiofoulingGrowthMechanismsandHeatTransferCharacteristicsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhiloso
2、phyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyYangQianpengDissertationSupervisor:ProfessorShiLinApril,2015摘要摘要以再生水源熱泵系統(tǒng)為代表的非清潔水源余熱回收技術(shù)，近年發(fā)展迅速。非清潔水源換熱器中形成的微生物污垢，是影響換熱效率和系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素。本研究圍繞微生物污垢的生長機(jī)理和傳熱特性主題，以實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)合的方法，探究了生長機(jī)理、懸浮物交互作用、傳熱耦合以及新型抑垢技術(shù)等四部分內(nèi)容。本文建立了人工模擬再生水中混合菌種、營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物的配制
3、方法，搭建了可進(jìn)行傳熱特性實(shí)驗(yàn)的新型可視化流道系統(tǒng)，引入了CLSM和活性染色劑等先進(jìn)觀測手段，用于進(jìn)行微生物污垢的生長機(jī)理和傳熱特性實(shí)驗(yàn)。生長機(jī)理實(shí)驗(yàn)采用了枯草桿菌和氣單胞菌的混合菌種，從重量角度分析了不同比例混合菌種的抑制和共生關(guān)系。實(shí)驗(yàn)探究了營養(yǎng)物質(zhì)對生長機(jī)理和抑制共生強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)并揭示了貧營養(yǎng)條件下枯草桿菌成垢能力較強(qiáng)的現(xiàn)象和原因。懸浮物交互作用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流速和粒徑較大時(shí)交互作用有助于除垢抑垢，而含量對交互作用起線性放大效果。本文擬合的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可以快速預(yù)測交互作用強(qiáng)度和成垢量。人工PA絮狀物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并揭示了絮狀物獨(dú)特的微觀粘附機(jī)理。本文測定了兩
4、種菌種的最佳生長溫度，建立了比生長速率方程。本文分析了污垢的雙層多孔結(jié)構(gòu)，利用在線測量的熱阻和厚度，擬合了污垢導(dǎo)熱系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，傳熱特性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)圍繞污垢熱阻展開。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了溫度場與污垢之間的耦合交互作用，并分析了不同溫度場下的最優(yōu)換熱布置。針對換熱表面，提出、分析和評價(jià)了三種新型表面改性抑垢技術(shù)。鍍銀對細(xì)胞活性和EPS結(jié)構(gòu)抑制作用較強(qiáng)，以接觸熱阻為主的附加熱阻較小，清洗磨損較為緩慢。石蠟涂層具有在線生成和清洗優(yōu)勢，附加熱阻可控。包埋苯扎氯銨的石蠟涂層，抑垢作用得到強(qiáng)化并集中在污垢底部，減少了藥劑消耗和二次污染?；跈C(jī)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了多物理場耦合三維全
5、生命周期細(xì)胞自動機(jī)模型。模型模擬了混合菌種交互作用，驗(yàn)證了枯草桿菌成垢能力強(qiáng)的特點(diǎn)。模型模擬、驗(yàn)證和分析了溫度場和污垢的耦合作用，以及顆粒物與污垢的交互作用。本研究對于深入認(rèn)識微生物污垢生長機(jī)理和傳熱特性的科學(xué)問題具有重要指導(dǎo)作用，對于解決換熱表面微生物污垢問題具有良好應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：微生物污垢；生長機(jī)理；傳熱特性；實(shí)驗(yàn)研究；模型模擬IAbstractAbstractNon-cleanwatersourceheatrecoverytechnologiessuchastreatedsewagesourceheatpumpsystemssawarapidde
6、velopmentinrecentyears.However,thebiofoulingformedinsidethenon-cleanwaterheatexchangersremainasacrucialissueofheattransferefficiencyandsystemsecurity.Thisstudyfocusonthethemeofbiofoulinggrowthmechanismsandheattransfercharacteristics.Combinationsofexperimentalandmodelingapproachesw
7、ereemployedtoexplorethegrowthmechanisms,suspendedmatterinteractions,heattransfercouplingandinnovativefoulinginhibitiontechnologiesinbiofoulingarea.Theassociatestrains,nutrientandsuspendedmatterscompositionsinmodelfluidwereestablishedinthisstudy.Anewvisualizedchannelsystemwithheatt
8、ransferexperimentfunctionsweredes
