折板單元本身的水力特性對絮體顆粒碰撞的影響主要表現(xiàn)在:折板單元的造渦作用和連續(xù)均勻的單元設(shè)置改善了紊動能耗的分布,從而提高了絮凝方式的數(shù)值,因此提高了絮凝效果。水流通過折板單元,在漸擴(kuò)段與漸縮段的作用下,可以形成對稱渦旋及單側(cè)渦旋。波峰處水流邊界層的分離是產(chǎn)生渦旋的動因。根據(jù)渦旋的擴(kuò)散性,會進(jìn)一步分解為小尺度的渦旋,直到與水流微團(tuán)相關(guān)的雷諾數(shù)低到不能再產(chǎn)生更小的渦旋為止。
折板絮凝池的設(shè)計主要控制參數(shù)是水流速度、水頭損失和絮凝時間,但建成后往往發(fā)現(xiàn)實際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計值相差甚遠(yuǎn)。以水頭損失的計算為例,設(shè)計手冊中,其計算采用的是明渠漸擴(kuò)和漸縮公式,有人通過研究發(fā)現(xiàn),豎流折板絮凝池水頭損失實測值與設(shè)計計算值相差較大,實測值明顯小于設(shè)計計算值。
絮凝效果的好壞主要依據(jù)形成的礬花情況。實際生產(chǎn)中,絮凝的效果大都依據(jù)后續(xù)的沉淀出水濁度進(jìn)行評價,但這已不是絮凝階段結(jié)果的直接反映,沉淀出水濁度還與沉淀效果有很大關(guān)系。另一方面,即使對絮凝效果進(jìn)行直接評價,評價大多也只是停留在對礬花大小和密實與否的感官描述上,缺少可操作的量化評價標(biāo)準(zhǔn),這與當(dāng)前還比較缺乏相對合理的絮凝評價標(biāo)準(zhǔn)有關(guān) [3] 。
加強(qiáng)絮凝動力學(xué),特別是水流狀態(tài)對絮凝沉淀效果的影響方面的深入研究。運(yùn)用PIV技術(shù)研究折板絮凝池內(nèi)部流場將是一個較好的實驗測試方法。該技術(shù)突破了空間單點測量技術(shù)的局限性,可在同一時刻記錄下整個測量平面的有關(guān)信息,從而可以獲得流動的瞬時平面速度場、脈動速度場、渦量場和雷諾應(yīng)力分布等,因此非常適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)。河海大學(xué)已運(yùn)用PIV進(jìn)行了往復(fù)隔板絮凝池內(nèi)部流場的研究,海軍工程大學(xué)進(jìn)行了靜態(tài)混合器的PIV實驗研究。另外可利用近年不斷出現(xiàn)的CFD(Com-putational Fluid Dynamics)商業(yè)軟件,如FLUENT,ANSYS,CFX等模擬分析流場流動,特別是FLUENT軟件推出的多種優(yōu)化的物理模型如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等,可達(dá)到縮短設(shè)計過程,減少實驗室測定試驗的數(shù)目,減少產(chǎn)品開發(fā)成本的目的。
為使水流中的顆粒相互碰撞,就使其與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動。水中的顆粒與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動好的辦法是改變水流的速度。改變速度的方法有兩種:①改變水流速度時造成的慣性效應(yīng)來進(jìn)行凝聚;②改變水流方向。在湍流中充滿著大大小小的渦旋。其中大渦旋能夠使流體進(jìn)一步的摻混,使顆粒均勻擴(kuò)散于流體中;同時創(chuàng)造大量的小漩渦,并將能量輸出給小渦旋。而小渦旋的作用是促進(jìn)顆粒的碰撞,提高絮凝效率。微渦旋理論認(rèn)為:水中微渦旋尺度與礬花顆粒尺度相近時混凝反應(yīng)充分。而小渦旋的動力學(xué)致因是慣性效應(yīng),特別是湍流渦旋的離心慣性效應(yīng),由此可見湍流中微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要動力學(xué)致因。
好的絮凝效果不僅需要大量的顆粒碰撞,還需要控制顆粒進(jìn)行合理有效的碰撞,使顆粒聚集起來。速度梯度是絮凝過程中常用的控制動力學(xué)因素。根據(jù)絮凝動力學(xué)理論得知,絮凝過程中的速度梯度值是逐漸減小的;而且開始時刻的速度梯度值要求能與混合階段銜接上,所以一般要求較大。這時的絮凝也要求接觸和碰撞,但是由微渦旋理論可知要求的水力半徑要適合于自身的直徑,才能發(fā)生有效碰撞。理論上,攪拌強(qiáng)度越大,速度梯度越大,相互接觸碰撞的機(jī)會越多。但攪拌強(qiáng)度大(G值大),水流的剪切力就大,松散的絮體受到水流剪切會二次斷開成為小絮體。因此要求攪拌的強(qiáng)度(也就是速度梯度)隨著絮凝的進(jìn)行而逐漸變小。整個混凝的過程中,G值是遞減的。但是速度梯度遞減規(guī)律,國內(nèi)外的還沒有定論。