毛玉紅,常 青,曾立云,余昌全 (蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

亞微渦旋的混凝作用研究

毛玉紅,常 青*,曾立云,余昌全 (蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

以粒子圖像速度場(chǎng)儀(PIV)測(cè)得了Taylor-Couette反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒和固定外筒間的環(huán)隙流場(chǎng)圖像.所得圖像表明環(huán)隙間存在亞微尺度的渦旋.同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了在Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙間不同渦旋形態(tài)下聚合氯化鋁(PAC)對(duì)高嶺土懸濁液的混凝效能.結(jié)果表明,在波渦流(WVF)形態(tài)范圍內(nèi)混凝效能達(dá)到了最大(50%以上),這可歸因于渦的閉合特性及其隨時(shí)間的膨脹和收縮.但在波渦流形態(tài)范圍以外得到的混凝效能相對(duì)較低,可歸因于相互連通的非閉合渦特性.

水處理；混凝；湍流；PIV；Taylor-Couette流

混凝是水處理的重要操作單元之一,其作用是改變?cè)稚Ⅲw系中顆粒粒徑的分布,使數(shù)目較多而體積較小的顆粒變?yōu)閿?shù)目較少而體積較大的顆粒,以便在后續(xù)沉淀處理中去除.顆粒數(shù)目的減少和粒徑的增大源于小顆粒的相互碰撞和聚結(jié),而導(dǎo)致顆粒相互碰撞的原因有顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)、流體運(yùn)動(dòng)和顆粒的差速沉降等[1-3].其中流體運(yùn)動(dòng)是水處理構(gòu)筑物中顆粒物碰撞聚結(jié)的主要原因,而實(shí)際水處理構(gòu)筑物中流體的運(yùn)動(dòng)一般為湍流,目前有關(guān)湍流條件下的混凝理論尚不完善,還有待進(jìn)一步研究[2].本研究擬利用粒子圖像速度場(chǎng)儀(PIV)的先進(jìn)技術(shù),將 Taylor-Couette反應(yīng)器的混凝效能與其流場(chǎng)相聯(lián)系,從而揭示亞微渦旋的混凝機(jī)理.這將對(duì)完善湍流混凝的理論具有一定的意義,對(duì)水處理混凝單元的研究、設(shè)計(jì)和操作有所幫助.

1 理論部分

根據(jù)Smoluchowski理論[1-2],在層流條件下是由于流體運(yùn)動(dòng)的速度梯度導(dǎo)致了顆粒的相互碰撞,從而造成了混凝的發(fā)生.由于在實(shí)際水處理設(shè)備中,流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要為湍流而非層流,所以Smoluchowski理論的應(yīng)用有較大的局限性.為了在湍流條件下應(yīng)用Smoluchowski公式,Camp等[4]提出了速度梯度的表達(dá)式,如式(1):

式中:ε是單位流體中單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量;ν是流體的運(yùn)動(dòng)黏度.

此后水處理工作者普遍認(rèn)為從混凝的角度考慮,當(dāng)G值相同時(shí),混合條件就相同.因而G值被作為混凝操作的重要參數(shù)并被廣泛用于混凝反應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì).但是從20世紀(jì)80年代起,一些不同的研究結(jié)果對(duì)將 G值作為設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的做法提出了批評(píng)和質(zhì)疑[5-7].此外,近年來研發(fā)的網(wǎng)格混凝池表現(xiàn)出了優(yōu)異的混凝效果,但是在距離網(wǎng)格一定距離處速度梯度卻等于零[8].由于速度梯度理論的不足,最近幾十年來,許多研究者試圖直接從湍流理論探討湍流條件下的混凝動(dòng)力學(xué).根據(jù) Kolmogorov局部各向同性理論[9],在混凝過程中所輸入的能量首要用于形成大的渦旋,湍流中能量的傳輸會(huì)引起渦旋尺度逐漸減小,直至能量被粘性力消耗殆盡.在此過程中,只有那些尺度與顆粒粒徑大致相近的渦旋才會(huì)導(dǎo)致混凝,此即微渦旋理論.但該理論僅適用于微小渦旋,不適用于其他尺度的渦旋.

Taylor-Couette裝置是一種傳統(tǒng)的反應(yīng)器[2],由 2個(gè)同心轉(zhuǎn)筒構(gòu)成,兩筒間隙約為 10～15mm,其中內(nèi)筒旋轉(zhuǎn),外筒固定,兩筒間隙中的液體在內(nèi)筒的驅(qū)動(dòng)作用下發(fā)生流動(dòng).當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的角速度從零開始增加至一定值時(shí),流動(dòng)的不穩(wěn)定性即開始發(fā)生[10-14],并經(jīng)歷一系列的流態(tài)轉(zhuǎn)變,先后出現(xiàn)層流泰勒渦流動(dòng)(TVF)、波狀渦流動(dòng)(WVF)、調(diào)制波狀渦流動(dòng)(MWVF)和湍流泰勒渦流動(dòng)(TTVF)等含渦流場(chǎng).這些渦的尺度與環(huán)隙的寬度近似,屬于亞微渦旋.當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度繼續(xù)不斷增加時(shí),TTVF變得越來越復(fù)雜,直至其結(jié)構(gòu)不能辨認(rèn).以上流態(tài)的轉(zhuǎn)變分別出現(xiàn)于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re的某特定值.Re定義式如式(2):

式中: ω為內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)角速度; ri為內(nèi)筒半徑; d= r0-ri為環(huán)隙的寬度; ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度.泰勒流不穩(wěn)定性開始發(fā)生的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)被定義為臨界雷諾數(shù) Rec,它的數(shù)值與裝置的具體幾何尺寸有關(guān).為方便應(yīng)用,定義簡(jiǎn)化雷諾數(shù)比 R (=Re/Rec)作為參數(shù)以表征流動(dòng)狀態(tài).Wang等[10-14]發(fā)現(xiàn)在他們的研究裝置中,當(dāng)1≤R≤5.0時(shí)流動(dòng)屬于TVF,當(dāng) 5.0≤R≤20時(shí)屬于 WVF,當(dāng) 20≤R≤40時(shí)屬于MWVF,當(dāng)R≥40時(shí)屬于TTVF.

另一方面,粒子圖像速度場(chǎng)儀(PIV)可用來測(cè)定整個(gè)流場(chǎng)的瞬時(shí)速度,從而定量揭示復(fù)雜和非穩(wěn)定流的總體結(jié)構(gòu),目前主要被用于流體力學(xué)方面的研究,但很少有應(yīng)用于水處理方面的研究報(bào)道.近年來由于光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,PIV儲(chǔ)存空間和拍攝頻率不足的問題得到了解決,其能力得到了大幅提高,使應(yīng)用 PIV分析 Taylor-Couette流的流場(chǎng)成為了可能.

2 材料與方法

2.1 儀器和設(shè)備

Taylor-Couette反應(yīng)器由本實(shí)驗(yàn)室自制.旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒由不銹鋼制成,直徑 2ri=75mm;固定外筒由透光 Plexiglas玻璃制成,直徑 2r0=100mm;環(huán)隙寬度d=r0-ri=12.5mm;內(nèi)外筒半徑比η = r0/ri= 0.75;筒高L=440mm;筒高與環(huán)隙寬度比值Г = L / (r0-ri) =35.2.內(nèi)筒由ABB電機(jī)驅(qū)動(dòng).

FlowMap PIV系統(tǒng)由丹麥Dantec Dynamics公司生產(chǎn).該系統(tǒng)的組成部分主要有雙脈沖Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機(jī)、FlowMap同步器(HUB)、主計(jì)算機(jī)及PIV軟件等.圖像處理過程中采用adapt-Correlation進(jìn)行自適應(yīng)互相關(guān)得到速度矢量場(chǎng),采用的查問區(qū)一般為32×32像素,50%重疊率.將FlowMap PIV系統(tǒng)應(yīng)用于Taylor-Couette反應(yīng)器,如圖1所示:

2100P型濁度計(jì)由美國(guó) HACH 公司生產(chǎn);CFX-909“咖啡象”數(shù)碼顯微影像分析儀,由中國(guó)泉通電子有限公司制造.混凝劑為聚合氯化鋁(PAC),由蘭州大興水處理藥劑公司生產(chǎn).

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 流場(chǎng)測(cè)定 為避免光學(xué)畸變,將內(nèi)筒與外筒一并置于一個(gè)方形的Plexiglas玻璃盒中,并在此方盒中充以與 Plexiglas玻璃具有相同折光指數(shù)的工作液體,在本研究中為自來水,其運(yùn)動(dòng)黏度為 1.006×10-6m2/s.在反應(yīng)器環(huán)隙流體中投入聚酰胺示蹤粒子,平均直徑 20μm,密度 1.03× 103kg/m3,投加濃度86mg/L,示蹤粒子的作用是對(duì)射入的激光產(chǎn)生反射和散射作用.將CCD相機(jī)設(shè)置在與激光器發(fā)出的片光垂直的方向上,以獲取被激光照亮的平面上的粒子圖像. FlowManager軟件被用來記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)同步器進(jìn)行控制.該系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)收集速率為每s 15個(gè)速度矢量場(chǎng).對(duì)每個(gè)確定的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速取約500對(duì)圖像,采用空間對(duì)齊疊加的分析法,得到平均流場(chǎng)的空間分布情況.在PIV數(shù)據(jù)獲取之前,內(nèi)筒須在確定轉(zhuǎn)速下保持至少 10min的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以達(dá)到穩(wěn)定平衡.

圖1 PIV測(cè)定原理及實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of PIV principle and measurement system

2.2.2 混凝實(shí)驗(yàn) 以高嶺土和自來水配制 2%的高嶺土儲(chǔ)備懸濁液,取7.5mL此儲(chǔ)備懸濁液和1500mL自來水,加入到Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙中作為處理水樣,以內(nèi)筒500r/min的轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)烈旋轉(zhuǎn)混合后,水樣濁度達(dá) 100NTU.按照實(shí)驗(yàn)確定的最佳投加量,加入1%濃度的聚合氯化鋁(PAC)溶液,繼續(xù)以內(nèi)筒在 500r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 2min,使 PAC混合均勻,然后以不同的轉(zhuǎn)速緩慢旋轉(zhuǎn)10min,靜置沉降10min后,從水面下210mm 處取樣測(cè)定濁度.絮凝過程中同步采用“咖啡象”數(shù)碼顯微影像分析儀跟蹤檢測(cè)絮凝過程中的絮體形態(tài),分別對(duì)靜沉前和靜沉后所形成的絮體形態(tài)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)和分析.

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)隙子午面速度矢量圖

Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙子午面示于圖2.在不同的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速下用 PIV得到了環(huán)隙子午面的瞬時(shí)平均速度矢量圖,如圖 3所示.由于Taylor-Couette反應(yīng)器的幾何尺寸及工作液體與文獻(xiàn)[12]、[13]報(bào)道的近似相同,故采用相同的82.8作為Rec的值,并用式(2)和R=Re/Rec計(jì)算出簡(jiǎn)化雷諾數(shù)R.

圖2 環(huán)隙子午面測(cè)定區(qū)域Fig.2 Schematic diagram of measurement area on meridianal plane

圖3表明,在環(huán)隙子午面上有沿軸向規(guī)則分布的漩渦,相鄰渦旋的旋轉(zhuǎn)方向相反,在很低的轉(zhuǎn)速下,當(dāng) R =1.7時(shí)系統(tǒng)就表現(xiàn)出了不穩(wěn)定性.隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的升高,環(huán)隙中渦旋的數(shù)目先增多,后減少.渦旋的形態(tài)也隨著轉(zhuǎn)速的升高從左到右逐漸發(fā)生著變化.當(dāng)R=1.7～5.8時(shí),僅存在少量非閉合和相互連通的初期渦旋,表明渦旋正在開始形成.當(dāng)R＞5.8時(shí)形成了許多孤立的,完整的和相互分離的渦旋.但隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高,渦旋的完整性逐漸降低,相鄰渦旋相互連通,最終成為非閉合或敞開式渦旋.

圖3 環(huán)隙子午面平均速度矢量場(chǎng)Fig.3 Mean velocity vector map of meridional plane n:內(nèi)筒轉(zhuǎn)速, r/min

在R＞5.8的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速下,由PIV連續(xù)測(cè)定得到不同時(shí)間環(huán)隙子午面上的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng),顯示了渦旋形態(tài)和體積大小均隨時(shí)間發(fā)生著周期性變化.但隨著轉(zhuǎn)速的升高,變化周期逐漸縮短,最終當(dāng)簡(jiǎn)化雷諾數(shù)R＞30時(shí),渦旋的周期性變化消失,瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)不再隨時(shí)間變化.圖4為n =20, R =11.6時(shí)不同時(shí)刻的一系列瞬時(shí)速度矢量場(chǎng).從圖4可以看出,渦旋的形態(tài)隨著時(shí)間在發(fā)生變化,渦的體積隨著時(shí)間發(fā)生周期性膨脹和收縮,并且渦的中心位置也隨時(shí)間發(fā)生徑向和軸向振動(dòng).

圖4 R=11.6時(shí) 瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of instantaneous velocity vector fields with time when R=11.6

3.2 環(huán)隙流場(chǎng)形態(tài)對(duì)混凝效果的影響

圖5 不同內(nèi)筒轉(zhuǎn)速下的混凝效果Fig.5 Coagulation efficiencies of different rotating rates

由圖5可知,在每一種投藥量的情況下,濁度去除率均隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的升高先升高,后降低,而且?guī)缀踉诿恳环N投藥量下均在 10～30r/min,即 R約處于 5.8～20的范圍內(nèi)達(dá)到最高值.同時(shí)用“咖啡象”數(shù)碼顯微影像分析儀采集分析絮凝過程中的絮體,不同轉(zhuǎn)速條件下所形成的絮體形態(tài)如圖6所示.由圖6可清楚地觀察到,在內(nèi)筒轉(zhuǎn)速處于10～30r/min即R=5.8～17.5的范圍內(nèi)時(shí),所形成的絮體粒徑較大,而在此范圍之外(或前或后)生成的絮體比較細(xì)小.實(shí)驗(yàn)過程也觀察到在內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為10～30r/min范圍內(nèi),生成的絮體沉降較快,沉淀后絮體總量較多.而在此范圍之外(或前或后)生成的絮體比較細(xì)小,沉降較慢,難于與水分離,沉淀后絮體總量較少,與圖6所示相符.

圖6 不同內(nèi)筒轉(zhuǎn)速下的絮體形態(tài)(×5)Fig.6 Morphology of flocs formed in different rotating rates (×5)

3.3 討論

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的每一種內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)速度,用式(2)計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的Re及R,如表1所示.表1中同時(shí)列出了R所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)機(jī)制[11-13].

表1 流場(chǎng)參數(shù)與內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系Table 1 Relationship between flow field parameters and rotating rates

如上所述,在10～30r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),混凝效果達(dá)到了最佳,由表1看出,此轉(zhuǎn)速范圍所對(duì)應(yīng)的R=6～20,其流動(dòng)機(jī)制恰處于波狀渦流動(dòng)(WVF)范圍.由圖3可以看出,處于WVF流動(dòng)機(jī)制范圍的所有渦漩都是閉合渦,可以認(rèn)為這種閉合渦有利于渦內(nèi)顆粒的相互碰撞.據(jù)Wang等[13]報(bào)道,在WVF范圍內(nèi)可以觀察到主流液體的移動(dòng)和渦旋隨時(shí)間的周期性膨脹和收縮.在本研究中也發(fā)現(xiàn)了與其所述相同的規(guī)律,如圖4所示,渦的體積隨著時(shí)間發(fā)生周期性膨脹和收縮,渦的中心位置也隨時(shí)間發(fā)生徑向和軸向振動(dòng).所以可以推論,主流液體的移動(dòng)和渦旋的膨脹收縮會(huì)周期性地增大或減小渦內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度,甚至改變其運(yùn)動(dòng)方向,造成局部瞬時(shí)速度梯度增大,引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞,導(dǎo)致較高的混凝效率.但是隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的升高,流動(dòng)機(jī)制由 WVF 開始轉(zhuǎn)變?yōu)镸WVF和TTVF,在MWVF和TTVF的初始階段,渦旋的膨脹和收縮就已經(jīng)消失,轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,渦旋的完整性也逐漸降低,相鄰渦旋相互連通,最終成為非閉合或敞開的渦旋.可以推論,在這種情況下,渦旋中的顆?？梢噪S水流從一個(gè)渦旋流向另一個(gè)渦旋,碰撞的幾率降低,導(dǎo)致較低的混凝效率.與此相同的是當(dāng)R小于WVF的R值時(shí),初始渦旋正在形成,其形態(tài)也是非閉合或敞開式渦旋,同樣的原因?qū)е铝溯^低的混凝效率.綜上所述, WVF范圍內(nèi)的閉合渦及其周期性膨脹和收縮是其混凝效率達(dá)到最高的原因.

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 10～30r/min范圍時(shí),對(duì)應(yīng)的流動(dòng)機(jī)制恰為 WVF,混凝效率達(dá)到最高,在此WVF范圍之外得到的混凝效率較低.

4.2 由于在WVF范圍內(nèi)的渦旋是閉合渦旋,而且隨時(shí)間發(fā)生周期性的膨脹和收縮,所以 WVF機(jī)制有利于顆粒的相互碰撞,導(dǎo)致了較高的混凝效率.

4.3 隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速升高,流動(dòng)機(jī)制從WVF轉(zhuǎn)變?yōu)門TVF,渦旋從閉合渦轉(zhuǎn)變?yōu)榉情]合渦,并相互連通,渦旋中的顆?？梢噪S水流從一個(gè)渦旋流向另一個(gè)渦旋,碰撞幾率降低,導(dǎo)致了較低的混凝效率.

4.4 當(dāng)R小于WVF的R值時(shí),初始渦旋正在形成,其形態(tài)也是非閉合或敞開式渦旋,同樣的原因?qū)е铝溯^低的混凝效率.

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Velocity field data were acquired for Taylor-Couette flow in the annulus gap between a rotating inner cylinder and a fixed concentric outer cylinder by using particle image velocimetry (PIV).The vortices of submicroscopic size were produced in the annulus gap according to the velocity vector map. The flocculation efficiencies were also obtained in the same Taylor-Couette flow under the conditions corresponding to the different vortices. The flocculation efficiencies reached the maximum values (above 50%) in the wavy vortex flow(WVF)range due to the closed vortices and their contractions and expansions with time, but out of WVF range, the comparatively low flocculation efficiencies were obtained due to the no-closed vortices connected with each other.

water treatment；flocculation；turbulent flow；PIV；Taylor-Couette flow

X52

A

1000-6923(2012)03-0467-06

2011-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878102)

* 責(zé)任作者, 教授, changq47@163.com

毛玉紅(1972-),女,副教授,博士,主要從事水質(zhì)控制物理化學(xué)及污染控制研究.發(fā)表論文10余篇.