亞微渦旋的混凝作用研究

毛玉紅,常 青,曾立云,余昌全 (蘭州交通大學環境與市政工程學院,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 (蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070)

以粒子圖像速度場儀(PIV)測得了Taylor-Couette反應器旋轉內筒和固定外筒間的環隙流場圖像.所得圖像表明環隙間存在亞微尺度的渦旋.同時實驗研究了在Taylor-Couette反應器環隙間不同渦旋形態下聚合氯化鋁(PAC)對高嶺土懸濁液的混凝效能.結果表明,在波渦流(WVF)形態范圍內混凝效能達到了最大(50%以上),這可歸因于渦的閉合特性及其隨時間的膨脹和收縮.但在波渦流形態范圍以外得到的混凝效能相對較低,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,其作用是改變原水分散體系中顆粒粒徑的分布,使數目較多而體積較小的顆粒變為數目較少而體積較大的顆粒,以便在后續沉淀處理中去除.顆粒數目的減少和粒徑的增大源于小顆粒的相互碰撞和聚結,而導致顆粒相互碰撞的原因有顆粒的布朗運動、流體運動和顆粒的差速沉降等[1-3].其中流體運動是水處理構筑物中顆粒物碰撞聚結的主要原因,而實際水處理構筑物中流體的運動一般為湍流,目前有關湍流條件下的混凝理論尚不完善,還有待進一步研究[2].本研究擬利用粒子圖像速度場儀(PIV)的先進技術,將 Taylor-Couette反應器的混凝效能與其流場相聯系,從而揭示亞微渦旋的混凝機理.這將對完善湍流混凝的理論具有一定的意義,對水處理混凝單元的研究、設計和操作有所幫助.

1 理論部分

根據Smoluchowski理論[1-2],在層流條件下是由于流體運動的速度梯度導致了顆粒的相互碰撞,從而造成了混凝的發生.由于在實際水處理設備中,流體的運動規律主要為湍流而非層流,所以Smoluchowski理論的應用有較大的局限性.為了在湍流條件下應用Smoluchowski公式,Camp等[4]提出了速度梯度的表達式,如式(1):

式中:ε是單位流體中單位時間內輸入的能量;ν是流體的運動黏度.

此后水處理工作者普遍認為從混凝的角度考慮,當G值相同時,混合條件就相同.因而G值被作為混凝操作的重要參數并被廣泛用于混凝反應設備的設計.但是從20世紀80年代起,一些不同的研究結果對將 G值作為設計和操作參數的做法提出了批評和質疑[5-7].此外,近年來研發的網格混凝池表現出了優異的混凝效果,但是在距離網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力學.根據 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導致混凝,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裝置是一種傳統的反應器[2],由 2個同心轉筒構成,兩筒間隙約為 10～15mm,其中內筒旋轉,外筒固定,兩筒間隙中的液體在內筒的驅動作用下發生流動.當內筒旋轉的角速度從零開始增加至一定值時,流動的不穩定性即開始發生[10-14],并經歷一系列的流態轉變,先后出現層流泰勒渦流動(TVF)、波狀渦流動(WVF)、調制波狀渦流動(MWVF)和湍流泰勒渦流動(TTVF)等含渦流場.這些渦的尺度與環隙的寬度近似,屬于亞微渦旋.當內筒旋轉角速度繼續不斷增加時,TTVF變得越來越復雜,直至其結構不能辨認.以上流態的轉變分別出現于旋轉雷諾數Re的某特定值.Re定義式如式(2):

式中: ω為內筒的旋轉角速度; ri為內筒半徑; d= r0-ri為環隙的寬度; ν為流體的運動黏度.泰勒流不穩定性開始發生的旋轉雷諾數被定義為臨界雷諾數 Rec,它的數值與裝置的具體幾何尺寸有關.為方便應用,定義簡化雷諾數比 R (=Re/Rec)作為參數以表征流動狀態.Wang等[10-14]發現在他們的研究裝置中,當1≤R≤5.0時流動屬于TVF,當 5.0≤R≤20時屬于 WVF,當 20≤R≤40時屬于MWVF,當R≥40時屬于TTVF.

另一方面,粒子圖像速度場儀(PIV)可用來測定整個流場的瞬時速度,從而定量揭示復雜和非穩定流的總體結構,目前主要被用于流體力學方面的研究,但很少有應用于水處理方面的研究報道.近年來由于光學和計算機技術的進步,PIV儲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,使應用 PIV分析 Taylor-Couette流的流場成為了可能.

2 材料與方法

2.1 儀器和設備

Taylor-Couette反應器由本實驗室自制.旋轉內筒由不銹鋼制成,直徑 2ri=75mm;固定外筒由透光 Plexiglas玻璃制成,直徑 2r0=100mm;環隙寬度d=r0-ri=12.5mm;內外筒半徑比η = r0/ri= 0.75;筒高L=440mm;筒高與環隙寬度比值Г = L / (r0-ri) =35.2.內筒由ABB電機驅動.

FlowMap PIV系統由丹麥Dantec Dynamics公司生產.該系統的組成部分主要有雙脈沖Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機、FlowMap同步器(HUB)、主計算機及PIV軟件等.圖像處理過程中采用adapt-Correlation進行自適應互相關得到速度矢量場,采用的查問區一般為32×32像素,50%重疊率.將FlowMap PIV系統應用于Taylor-Couette反應器,如圖1所示:

2100P型濁度計由美國 HACH 公司生產;CFX-909“咖啡象”數碼顯微影像分析儀,由中國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.

2.2 實驗方法

2.2.1 流場測定 為避免光學畸變,將內筒與外筒一并置于一個方形的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的工作液體,在本研究中為自來水,其運動黏度為 1.006×10-6m2/s.在反應器環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射入的激光產生反射和散射作用.將CCD相機設置在與激光器發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驗數據,并對同步器進行控制.該系統的最大數據收集速率為每s 15個速度矢量場.對每個確定的內筒轉速取約500對圖像,采用空間對齊疊加的分析法,得到平均流場的空間分布情況.在PIV數據獲取之前,內筒須在確定轉速下保持至少 10min的運轉時間以達到穩定平衡.

圖1 PIV測定原理及實驗裝置系統示意Fig.1 Schematic diagram of PIV principle and measurement system

2.2.2 混凝實驗 以高嶺土和自來水配制 2%的高嶺土儲備懸濁液,取7.5mL此儲備懸濁液和1500mL自來水,加入到Taylor-Couette反應器環隙中作為處理水樣,以內筒500r/min的轉速強烈旋轉混合后,水樣濁度達 100NTU.按照實驗確定的最佳投加量,加入1%濃度的聚合氯化鋁(PAC)溶液,繼續以內筒在 500r/min的轉速旋轉 2min,使 PAC混合均勻,然后以不同的轉速緩慢旋轉10min,靜置沉降10min后,從水面下210mm 處取樣測定濁度.絮凝過程中同步采用“咖啡象”數碼顯微影像分析儀跟蹤檢測絮凝過程中的絮體形態,分別對靜沉前和靜沉后所形成的絮體形態進行對比檢測和分析.

3 結果與討論

3.1 環隙子午面速度矢量圖

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

圖2 環隙子午面測定區域Fig.2 Schematic diagram of measurement area on meridianal plane

圖3表明,在環隙子午面上有沿軸向規則分布的漩渦,相鄰渦旋的旋轉方向相反,在很低的轉速下,當 R =1.7時系統就表現出了不穩定性.隨著內筒轉速的升高,環隙中渦旋的數目先增多,后減少.渦旋的形態也隨著轉速的升高從左到右逐漸發生著變化.當R=1.7～5.8時,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R＞5.8時形成了許多孤立的,完整的和相互分離的渦旋.但隨著轉速的繼續升高,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 環隙子午面平均速度矢量場Fig.3 Mean velocity vector map of meridional plane n:內筒轉速, r/min

在R＞5.8的內筒轉速下,由PIV連續測定得到不同時間環隙子午面上的瞬時速度矢量場,顯示了渦旋形態和體積大小均隨時間發生著周期性變化.但隨著轉速的升高,變化周期逐漸縮短,最終當簡化雷諾數R＞30時,渦旋的周期性變化消失,瞬時速度矢量場不再隨時間變化.圖4為n =20, R =11.6時不同時刻的一系列瞬時速度矢量場.從圖4可以看出,渦旋的形態隨著時間在發生變化,渦的體積隨著時間發生周期性膨脹和收縮,并且渦的中心位置也隨時間發生徑向和軸向振動.

圖4 R=11.6時 瞬時速度矢量場隨時間的變化Fig.4 Changes of instantaneous velocity vector fields with time when R=11.6

3.2 環隙流場形態對混凝效果的影響

圖5 不同內筒轉速下的混凝效果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筒轉速的升高先升高,后降低,而且幾乎在每一種投藥量下均在 10～30r/min,即 R約處于 5.8～20的范圍內達到最高值.同時用“咖啡象”數碼顯微影像分析儀采集分析絮凝過程中的絮體,不同轉速條件下所形成的絮體形態如圖6所示.由圖6可清楚地觀察到,在內筒轉速處于10～30r/min即R=5.8～17.5的范圍內時,所形成的絮體粒徑較大,而在此范圍之外(或前或后)生成的絮體比較細小.實驗過程也觀察到在內筒轉速為10～30r/min范圍內,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 不同內筒轉速下的絮體形態(×5)Fig.6 Morphology of flocs formed in different rotating rates (×5)

3.3 討論

對上述實驗的每一種內筒旋轉速度,用式(2)計算出其對應的Re及R,如表1所示.表1中同時列出了R所對應的流動機制[11-13].

表1 流場參數與內筒轉速的關系Table 1 Relationship between flow field parameters and rotating rates

如上所述,在10～30r/min的轉速范圍內,混凝效果達到了最佳,由表1看出,此轉速范圍所對應的R=6～20,其流動機制恰處于波狀渦流動(WVF)范圍.由圖3可以看出,處于WVF流動機制范圍的所有渦漩都是閉合渦,可以認為這種閉合渦有利于渦內顆粒的相互碰撞.據Wang等[13]報道,在WVF范圍內可以觀察到主流液體的移動和渦旋隨時間的周期性膨脹和收縮.在本研究中也發現了與其所述相同的規律,如圖4所示,渦的體積隨著時間發生周期性膨脹和收縮,渦的中心位置也隨時間發生徑向和軸向振動.所以可以推論,主流液體的移動和渦旋的膨脹收縮會周期性地增大或減小渦內顆粒的運動速度,甚至改變其運動方向,造成局部瞬時速度梯度增大,引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞,導致較高的混凝效率.但是隨著內筒轉速的升高,流動機制由 WVF 開始轉變為MWVF和TTVF,在MWVF和TTVF的初始階段,渦旋的膨脹和收縮就已經消失,轉速繼續升高,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水流從一個渦旋流向另一個渦旋,碰撞的幾率降低,導致較低的混凝效率.與此相同的是當R小于WVF的R值時,初始渦旋正在形成,其形態也是非閉合或敞開式渦旋,同樣的原因導致了較低的混凝效率.綜上所述, WVF范圍內的閉合渦及其周期性膨脹和收縮是其混凝效率達到最高的原因.

4 結論

4.1 當內筒轉速在 10～30r/min范圍時,對應的流動機制恰為 WVF,混凝效率達到最高,在此WVF范圍之外得到的混凝效率較低.

4.2 由于在WVF范圍內的渦旋是閉合渦旋,而且隨時間發生周期性的膨脹和收縮,所以 WVF機制有利于顆粒的相互碰撞,導致了較高的混凝效率.

4.3 隨著內筒轉速升高,流動機制從WVF轉變為TTVF,渦旋從閉合渦轉變為非閉合渦,并相互連通,渦旋中的顆?？梢噪S水流從一個渦旋流向另一個渦旋,碰撞幾率降低,導致了較低的混凝效率.

4.4 當R小于WVF的R值時,初始渦旋正在形成,其形態也是非閉合或敞開式渦旋,同樣的原因導致了較低的混凝效率.

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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

國家自然科學基金資助項目(50878102)

* 責任作者, 教授, changq47@163.com

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