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1、惯性效应在混凝中的动力学作用 一、絮凝动力学的探讨现状 絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决下面两上因素：是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸咐桥的联结实力，这是由混凝剂的性质确定的；是微小颗粒碰撞的几率和如何限制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所确定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们始终未搞清晰。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因，并可以运用公式计算速度梯度。 另一方面我们可以举出一个完全与速度梯度理论相冲突的絮凝工程实例。网格反应池在网格后面肯定距离处水流近似处于匀称各向同性湍流状态，即在这个区域中不同的空间点上水
2、流的时平均速度都是相同的，速度梯度为零。根据速度梯度理论，速度梯度越大，颗粒碰撞次数越多。而网格絮凝反应池速度梯度为零，其反应效率应最差。事实恰好相反，网格反应池的絮凝反应效果却优于全部传统反应设备。这一工程实例充分说明白速度梯度理论远未揭示絮凝的动力学本质。 在絮凝的探讨中，还有一个湍流探讨学派用湍流扩散的时平均议程去计算颗粒碰撞次数。最终得到的结论与速度梯度理论基本相同，即湍流中颗粒碰撞次数随湍流能耗增大而增大。由于这种探讨方法用的是湍流扩散时平均方程，因此就不能揭示湍流微结构在絮凝中的动力学作用。在诸如象絮凝动力学的探讨中，把探讨领域仅仅划分为微观与宏观已不够了。因为絮凝中的颗粒碰撞是与
3、湍流中的微结构的动力作用亲密相关，而微结构尺度，所以微观的分子运动完全不受湍流微结构影响，只与热力学系数有关。而宏观流淌计算中人们关注的是时平均速度，时平均压强、时平均浓度，无法去揭示湍流微结构在絮凝中的动力学作用。因此在絮凝动力学的探讨中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行探讨。上述絮凝的湍流探讨学派正是因为采纳统计时平均的宏观流淌计算方法，所以就无法揭示絮凝的动力学本质。 二、絮凝的动力致因 有人认为湍流中颗粒碰撞是由湍流脉动造成的。这种相识不很准确。事实上湍流并不存在脉动，所谓的脉动是由于所采纳的探讨方法造成的。人们用流体力学传统的探讨方法欧拉法进行探讨，即在固定的空间点视察水流运
4、动参数随时间改变，这样不同时刻有不同大小的湍流涡旋的不同部位通过固定的空间点，因此在固定的空间点上测得的速度呈现剧烈的脉动现象。假如我们跟随水流质点一起运动，去视察其运动状况，就会发觉水体质点的速度改变是连续的，根本不存在脉动。事实上水是连续介质。水中的速度分布是连续的，没有任何跳动。水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度特别小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。假如这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必需使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力，
5、设颗粒的形态为球形，其半径为r0，颗粒与水流相对速度为v，水的密度为p，球形颗粒所受水力阻力Fd可按下式计算 式中po为球形颗粒密度。假如略去因颗粒尺寸不同而造成的密度改变，由上式可见单位质量球形颗粒所受水力阻力随尺度增大而削减；即颗粒越大单位质量所受水力阻力越小。上面讲座虽然是针对球形的，但对非球形颗粒同样适用。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞供应了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的方法是变更水流的速度。因为水惯性与颗粒的惯性不同，当水流速度改变时它们的速度改变也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动，为
6、相邻不同尺度颗粒碰撞供应了条件。 变更速度方法有两种：是变更水流时平均速度大小，水力脉冲澄清池，波形反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝作用，主要就是利用水流时平均速度改变造成的惯性效应来进行絮凝；是变更水流方向，因为湍流中充溢着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在变更自己的运动方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿流涡旋的径向碰撞供应了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的。这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。下面来探讨这个问题。在湍流涡旋中取一个小的脱离体，明显沿径向方向作用在该脱离体上有两个
7、力：一是离心力；二是压力的合力。两者相平衡。假如把坐标原点取在运动的涡旋的中心上，则可写成如下方程： 由上面的理论论述可以看出，假如能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流淌通道上增设多层小孔眼格网的方法来实现。由于过网水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。 增设小孔眼格网之后有如下作用：水流通过格网的区段是速度激烈改变的区段，也是惯性效应最强，颗粒碰撞几率最高的区段；小孔眼格网之后湍流
8、的涡旋尺度大幅度削减。微涡旋比例增加，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；由于过网水流的惯性作用，矾花产生剧烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。 三、矾花的合理的有效碰撞 要达到好的絮凝效果除有颗粒大量碰撞之外，还须要限制颗粒合理的有效碰撞，使颗粒凝合起来的碰撞称之为有效碰撞，使颗粒凝合起来的碰撞称之为有效碰撞。假如在絮凝中颗粒凝合长大得过快会出现两个问题：矾花长得过快其强度则减弱，在流淌过程中遇到强的剪切就会使吸咐架桥被剪断，被剪断的吸咐架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应当被肯定禁止；
9、一些矾花过快的长大水中矾花比表面积急剧削减，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些小颗粒与大颗粒碰撞几率急剧减小，很难再长大起来。这些颗粒不仅不能为沉淀池所截留，也很难为滤池截留。絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢虽然密实，但当其达到沉淀池时，还有许多颗粒没有长到沉淀尺度，出水水质也不会好。由此看到在絮凝池设计中应限制矾花颗粒的合理长大。 矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸咐架桥的联结实力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系确定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸咐架桥的联结实力是由混凝剂性质确定的，而湍流的剪切力是由构筑物创建的流淌条件所确定的。假如在絮凝池的设
10、计中能有效的限制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。 五、结论 本文首次从湍流微结构的尺度探讨了流淌水体中颗粒碰撞和混凝剂水解产物的亚微观传质这两个物理过程及其动力学致因，这正是混凝过程和多相流淌物系反应工艺中，其反应不是化学反应就是生化反应。众所知，化学反应速度特别快速，生化反应在生物酶存在的状况下，其反应速率也远大于物相接触，特殊是远大于亚微观传质的速率。因此在这些工艺过程中提高物相接触和亚微观传质速率，就成为提高工艺效率和工艺品质的关键。可以预见，本文所揭示的自然规律必将对其相关领域的工艺进步起到重要的推动作用。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页