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原文传递交变电场对隧道排水管道结晶影响规律研究

论文题名：	交变电场对隧道排水管道结晶影响规律研究
关键词：	隧道排水管道;交变电场;结晶规律;碳酸钙溶液;除垢效果
摘要：	随着我国西部大开发的不断深入，在崇山峻岭中修建的隧道也越来越多，当隧道穿越灰岩、岩溶地区时易在隧道排水管管壁形成碳酸钙晶体，随着时间的堆积最终造成管道的堵塞，并严重影响隧道结构的使用寿命，引发各种交通安全事故，从而造成巨大的人力财力的损失。因此本文针对该地区隧道排水管易结晶堵塞这一问题，通过对结晶物结晶机理进行分析，并结合工业中电场处理水垢这一思想，设计了三种电场防除结晶试验装置:钢塑复合管交变电场、普通PVC管交变电场和钢塑复合管环向交变电场，对三种装置其进行除垢效果的试验分析，并在确定好最佳电场装置后，对其进行流量试验以及把该装置运用到1∶10隧道模型和现场试验当中进行更加深入的试验分析，然后结合分子动力学模拟软件研究碳酸晶体与排水管道PVC聚合物之间的吸附能，最终解决灰岩、岩溶地区隧道排水管结晶物堵塞等问题。主要研究结果如下: 　　(1)交变电场作用下碳酸钙溶液中的Ca2+和CO32-会分别向电场的正负极移动，使碳酸钙晶体分离。水溶液在电场作用下极性也会增强，强极性水分子就会包裹住阴阳离子，从而使阳阳离子不会直接与管壁接触;当电场正负极改变后溶液中的阴阳离子会逆向运动，由于Ca2+和CO32-被极性水分子包裹所以在碰撞过后生成新的CaCO3晶体也会被极性水分子包裹并悬浮于溶液之中从而避免与管壁直接接触，最终随着水流冲出管道; 　　(2)通过三种电场效果装置与普通管的对比试验可以得知经过电场处理过后的管道内部结晶量要明显少于普通管，电压强度不同所引起的处理效果也不一样，其中电压为6V的时候钢塑复合管交变电场的防除结晶效果最好，阻垢率达到25％，此试验的SEM电镜扫描也能直观的看出在经过电场处理过后，晶体的尺寸也较小，粘聚形式也更加松散，晶体也更容易破碎剥落从而排出管道; 　　(3)确定出最佳电场效果装置后进行的三种电压、三种流量的试验中发现流量的不同会导致溶液每次通过电场线的横截面不同，受影响的离子数量也就不同，流量大时虽每次通过电场线的横截面大，溶液中的CaCO3晶体附着于管壁的数量也就越多，但受电场影响的离子数量也就越多，因此悬浮于溶液中的CaCO3晶体也就更多，更容易随着水流排出。从试验结果分析来看:在高流量192ml/s或者较高流量76.9ml/s时采用6V条件下的钢塑复合管交变电场，管道内壁的结晶量最少;在低流量34.7ml/s时采用12V钢塑复合管交变电场，管道内壁的结晶量最少; 　　(4)从1∶10隧道模型与现场试验也能验证室内试验过程的科学性，其中隧道模型中流量较低属于流量试验模型的低流量试验，从试验结果来看:在模型流量为1.14ml/s时，6V电压下阻垢率为12％，9V电压下阻垢率为16％，12V电压下阻垢率为31％。由此可以说明在低流量条件下12V电压的阻垢效果最好;现场试验中则能充分说明在高流量条件下管道内部不易有结晶物残留且在电场作用下能改变碳酸钙溶液中的晶体形态以及结构类型; 　　(5)通过分子动力学模拟结果可知在加入交变电场效果过后CaCO3晶体与PVC管壁之间的吸附能明显减小，其中当电场强度为100V/m时吸附能最小，说明在不考虑流动水量的影响下此电场强度的除垢效果最好。
作者：	王博
专业：	交通运输工程
导师：	韦良文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2020