亚微涡旋的混凝作用研究

中国环境科学2012,32(3)：467~472ChinaEnvironmentalScience亚微涡旋的混凝作用研究毛玉红,常青*,曾立云,余昌全(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州730070)摘要：以粒子图像速度场仪(PIV)测得了Taylor-Couette反应器旋转内筒和固定外筒间的环隙流场图像.所得图像表明环隙间存在亚微尺度的涡旋.同时实验研究了在Taylor-Couette反应器环隙间不同涡旋形态下聚合氯化铝(PAC)对高岭土悬浊液的混凝效能.结果表明,在波涡流(WVF)形态范围内混凝效能达到了最大(50%以上),这可归因于涡的闭合特性及其随时间的膨胀和收缩.但在波涡流形态范围以外得到的混凝效能相对较低,可归因于相互连通的非闭合涡特性.关键词：水处理；混凝；湍流；PIV；Taylor-Couette流中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)03-0467-06Coagulationeffectsofsubmicroscopicvortices.MAOYu-hong,CHANGQing*,ZENGLi-yun,YUChang-quan(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China).ChinaEnvironmentalScience,2012,32(3)：467~472Abstract：VelocityfielddatawereacquiredforTaylor-Couetteflowintheannulusgapbetweenarotatinginnercylinderandafixedconcentricoutercylinderbyusingparticleimagevelocimetry(PIV).Thevorticesofsubmicroscopicsizewereproducedintheannulusgapaccordingtothevelocityvectormap.TheflocculationefficiencieswerealsoobtainedinthesameTaylor-Couetteflowundertheconditionscorrespondingtothedifferentvortices.Theflocculationefficienciesreachedthemaximumvalues(above50%)inthewavyvortexflow(WVF)rangeduetotheclosedvorticesandtheircontractionsandexpansionswithtime,butoutofWVFrange,thecomparativelylowflocculationefficiencieswereobtainedduetotheno-closedvorticesconnectedwitheachother.Keywords：watertreatment；flocculation；turbulentflow；PIV；Taylor-Couetteflow混凝是水处理的重要操作单元之一,其作用是改变原水分散体系中颗粒粒径的分布,使数目较多而体积较小的颗粒变为数目较少而体积较大的颗粒,以便在后续沉淀处理中去除.颗粒数目的减少和粒径的增大源于小颗粒的相互碰撞和聚结,而导致颗粒相互碰撞的原因有颗粒的布朗运动、流体运动和颗粒的差速沉降等[1-3].其中流体运动是水处理构筑物中颗粒物碰撞聚结的主要原因,而实际水处理构筑物中流体的运动一般为湍流,目前有关湍流条件下的混凝理论尚不完善,还有待进一步研究[2].本研究拟利用粒子图像速度场仪(PIV)的先进技术,将Taylor-Couette反应器的混凝效能与其流场相联系,从而揭示亚微涡旋的混凝机理.这将对完善湍流混凝的理论具有一定的意义,对水处理混凝单元的研究、设计和操作有所帮助.1理论部分根据Smoluchowski理论[1-2],在层流条件下是由于流体运动的速度梯度导致了颗粒的相互碰撞,从而造成了混凝的发生.由于在实际水处理设备中,流体的运动规律主要为湍流而非层流,所以Smoluchowski理论的应用有较大的局限性.为了在湍流条件下应用Smoluchowski公式,Camp等[4]提出了速度梯度的表达式,如式(1):G=12εν⎛⎞⎜⎟⎝⎠(1)式中:ε是单位流体中单位时间内输入的能量;ν是流体的运动黏度.收稿日期：2011-06-08基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878102)*责任作者,教授,changq47@163.com468中国环境科