折板單元本身的水力特性對(duì)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(dòng)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(guò)折板單元,在漸擴(kuò)段與漸縮段的作用下,可以形成對(duì)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(dòng)因。根據(jù)渦旋的擴(kuò)散性,會(huì)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(jì)主要控制參數(shù)是水流速度、水頭損失和絮凝時(shí)間,但建成后往往發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值相差甚遠(yuǎn)。以水頭損失的計(jì)算為例,設(shè)計(jì)手冊(cè)中,其計(jì)算采用的是明渠漸擴(kuò)和漸縮公式,有人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),豎流折板絮凝池水頭損失實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值相差較大,實(shí)測(cè)值明顯小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。
加強(qiáng)絮凝動(dòng)力學(xué),特別是水流狀態(tài)對(duì)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(chǎng)將是一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。該技術(shù)突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性,可在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)測(cè)量平面的有關(guān)信息,從而可以獲得流動(dòng)的瞬時(shí)平面速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)的研究,海軍工程大學(xué)進(jìn)行了靜態(tài)混合器的PIV實(shí)驗(yàn)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(chǎng)流動(dòng),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(dòng)、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等,可達(dá)到縮短設(shè)計(jì)過(guò)程,減少實(shí)驗(yàn)室測(cè)定試驗(yàn)的數(shù)目,減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本的目的。
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(lái)。速度梯度是絮凝過(guò)程中常用的控制動(dòng)力學(xué)因素。根據(jù)絮凝動(dòng)力學(xué)理論得知,絮凝過(guò)程中的速度梯度值是逐漸減小的;而且開(kāi)始時(shí)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(shí)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(huì)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(huì)二次斷開(kāi)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(gè)混凝的過(guò)程中,G值是遞減的。但是速度梯度遞減規(guī)律,國(guó)內(nèi)外的還沒(méi)有定論。
圓弧形渠道能夠減小渠道轉(zhuǎn)彎處的速度,減少能耗。而且,圓弧形渠道能夠產(chǎn)生很多復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu),提高絮凝效率。通過(guò)兩個(gè)方案中轉(zhuǎn)彎處X 方向速度的對(duì)比證明,圓弧形拐彎往復(fù)式絮凝器的速度梯度變化規(guī)律更加合理,混凝效果更好。
通過(guò)混凝動(dòng)力學(xué)的研究,得到了混凝動(dòng)力學(xué)中速度梯度與時(shí)間的關(guān)系G=G(0)/1+Kt;并通過(guò)擬合得到往復(fù)式絮凝池速度梯度的變化規(guī)律近似符合混凝動(dòng)力學(xué)對(duì)速度梯度變化的要求;同時(shí)參考了往復(fù)式絮凝池的新研究成果—將往復(fù)式絮凝池轉(zhuǎn)彎處的矩形渠道變成圓弧形狀,設(shè)計(jì)出一種的往復(fù)式絮凝池。通過(guò)數(shù)學(xué)模擬發(fā)現(xiàn):優(yōu)化后的往復(fù)式絮凝池拐彎處的圓弧形渠道能夠消除傳統(tǒng)往復(fù)式絮凝池轉(zhuǎn)彎處的死水區(qū),而且圓弧形渠道處的水流速度比矩形渠道處的分布均勻,有利于節(jié)約能耗。