粒子成像速度場(chǎng)儀(PIV)對(duì)絮凝的測(cè)量與表征

　　湍流絮凝是一個(gè)重要的科學(xué)難題，現(xiàn)有絮凝動(dòng)力學(xué)理論尚不能很好解釋和預(yù)測(cè)實(shí)際水處理中占主導(dǎo)地位的湍流絮凝，因而限制了絮凝理論和實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展.實(shí)驗(yàn)測(cè)量是取得有關(guān)絮凝反應(yīng)器流場(chǎng)中絮體顆粒運(yùn)動(dòng)詳盡信息的重要手段，如何獲取混凝流場(chǎng)中絮體顆粒的運(yùn)動(dòng)信息對(duì)研究混凝機(jī)理具有重要的影響.粒子圖像速度場(chǎng)儀(PIV)是一種非接觸式的流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，具有較高的精度和空間分辨率.在流場(chǎng)中投加示蹤粒子后，可以全面直觀地觀察到流場(chǎng)的形態(tài)，得到渦量分布信息.

　　Taylor-Couette反應(yīng)器是一種傳統(tǒng)的渦絮凝反應(yīng)器，由兩個(gè)同心轉(zhuǎn)筒構(gòu)成，兩筒間隙約為10～15 mm，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)生渦流動(dòng).當(dāng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始增加至一定值時(shí)，環(huán)隙流體會(huì)經(jīng)歷一系列流態(tài)的轉(zhuǎn)變，先后出現(xiàn)層流泰勒渦流動(dòng)(TWF)、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)，最終成為充分發(fā)展的湍流.其中各種流動(dòng)狀態(tài)下，流場(chǎng)中含有不同數(shù)量、不同特性的渦及不同強(qiáng)度、不同方向的局部瞬時(shí)速度梯度場(chǎng)，因此可以利用Taylor-Couette反應(yīng)器進(jìn)行絮凝反應(yīng)，通過(guò)控制其發(fā)生條件，人工獲取混凝過(guò)程中的各種含渦流場(chǎng)，研究各種流動(dòng)狀態(tài)下渦流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生的碰撞聚集以及絮體顆粒的運(yùn)動(dòng)及凝聚過(guò)程，探討混凝過(guò)程中渦流場(chǎng)對(duì)顆粒碰撞聚集作用及其對(duì)絮凝效果的影響.

　　Taylor-Couette反應(yīng)器內(nèi)各種流態(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定義為

　　式中，ω為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度(rad · s-1);ri為內(nèi)筒半徑(m);d = r0-ri 為環(huán)隙的寬度(m);ν 為流體的運(yùn)動(dòng)粘度(m2 · s-1).在實(shí)驗(yàn)中改變旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 的大小就可控制各種流態(tài)的發(fā)生.

　　在Taylor-Couette 反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行絮凝試驗(yàn)時(shí)，環(huán)隙流場(chǎng)中存在著諸多絮體粒子，本研究將通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證利用混凝過(guò)程中的絮體粒子為PIV的示蹤粒子，在混凝的同時(shí)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，把原先分別獨(dú)立進(jìn)行的絮凝實(shí)驗(yàn)與流場(chǎng)測(cè)量?jī)蓚�(gè)環(huán)節(jié)合二為一，從而同步揭示湍流絮凝過(guò)程中流場(chǎng)的微觀結(jié)構(gòu)特征.

　　2 材料與方法

　　2.1 儀器和實(shí)驗(yàn)裝置

　　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=75 mm;固定外筒由透光Plexiglas玻璃制成，直徑2r0=100 mm;環(huán)隙寬度d=r0-ri=12.5 mm;內(nèi)外筒半徑比η = r0/ri=0.75;筒高L=440 mm;筒高與環(huán)隙寬度比值Г = L /(r0-ri)=35.2.內(nèi)筒由ABB控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使環(huán)隙流體產(chǎn)生不同的流態(tài).

　　PIV系統(tǒng)由丹麥Dantec Dynamics公司生產(chǎn)，主要有雙脈沖Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機(jī)、同步器(HUB)、計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)等組成.將PIV系統(tǒng)應(yīng)用于Taylor-Couette反應(yīng)器，試驗(yàn)裝置如圖 1所示.

　　圖 1 PIV流場(chǎng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　2.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　2.2.1 混凝實(shí)驗(yàn)與流場(chǎng)測(cè)量

　　由于ω=2πn，所以，為方便實(shí)驗(yàn)操作，可通過(guò)控制內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)與流態(tài)的要求，也就是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以轉(zhuǎn)速n(r · min-1)作為參數(shù)來(lái)控制環(huán)隙流體的流動(dòng)狀態(tài).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玻璃水槽，并在此水槽中充入蒸餾水.將激光片光定位于反應(yīng)器環(huán)隙子午面上，再將CCD相機(jī)設(shè)置在與激光器發(fā)出的片光垂直的方向上，以獲取激光面上流場(chǎng)內(nèi)的粒子圖像.事先用高嶺土和自來(lái)水配制2% 的懸濁儲(chǔ)備液待用.將1500 mL自來(lái)水加入到Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙中，再加入7.5 mL高嶺土懸濁儲(chǔ)備液，以500 r · min-1的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)烈旋轉(zhuǎn)混合，作為處理水樣，此時(shí)水樣濁度穩(wěn)定在100 NTU左右.按照預(yù)先選定的10 mg · L-1投加量，加入1% 濃度的聚合氯化鋁(PAC)溶液，繼續(xù)以500 r · min-1的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)2 min，使PAC混合均勻，并與水中膠體微粒迅速發(fā)生脫穩(wěn)凝聚作用而形成初級(jí)微絮體顆粒;緊接著以不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速緩慢旋轉(zhuǎn)10 min，以進(jìn)行充分的絮凝反應(yīng).此時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)轉(zhuǎn)速，均在絮凝反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行到第4、6、8、9 min時(shí)分別啟動(dòng)PIV拍攝一組粒子圖像，并記錄圖片數(shù)據(jù)，每組至少20對(duì)照片.完后再靜置沉降10 min，再?gòu)乃�面�?10 mm 處取樣測(cè)定剩余濁度.采用哈納HI93703-11型濁度測(cè)定儀(中國(guó)北京哈納科儀科技有限公司).流場(chǎng)測(cè)量區(qū)域?yàn)門(mén)aylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙子午面，如圖 2所示.

　　圖 2 環(huán)隙子午面測(cè)定區(qū)域

　　對(duì)每對(duì)粒子圖像，應(yīng)用Flowmap軟件系統(tǒng)中的Adapt Correlation命令進(jìn)行自適應(yīng)互相關(guān)分析，得到各轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)在各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)，處理過(guò)程中一般采用的分析查問(wèn)區(qū)為32×32像素，50%重疊率.再應(yīng)用Average Correlation，可進(jìn)一步分析得到各流場(chǎng)的平均速度矢量場(chǎng).為了全面觀測(cè)流場(chǎng)的變化過(guò)程，對(duì)獲得的所有速度矢量圖進(jìn)行分析計(jì)算，將每一轉(zhuǎn)速下，在絮凝反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行到第4、6、8、9 min時(shí)，獲得的4個(gè)不同混凝時(shí)刻下的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)組成圖譜，可表征在同一流態(tài)下，不同絮凝進(jìn)程時(shí)刻流場(chǎng)的變化特征;抽取每個(gè)轉(zhuǎn)速下任一時(shí)刻瞬時(shí)速度矢量圖，按照轉(zhuǎn)速?gòu)男〉酱蠼M合到一起即可得到混凝過(guò)程中不同流態(tài)下的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)圖譜，以全面詳細(xì)地表征各種不同流場(chǎng)形態(tài)特征及其變化情況，并定量分析與之相對(duì)應(yīng)的內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化范圍.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)與混凝效果

　　投加 10 mg · L-1 PAC絮凝劑，在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行重復(fù)性混凝實(shí)驗(yàn).混凝過(guò)程中，絮體顆粒的形態(tài)與粒徑均隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的變化而表現(xiàn)出不同的特征：當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 較小(Re<488)時(shí)，絮凝劑很難相互結(jié)合形成密實(shí)的大顆粒絮體，此時(shí)觀察到的只是松散的絮體形貌;當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 較大(Re>4877)后，形成的絮體顆粒細(xì)小，Re 越大，絮體破碎越厲害，絮體顆粒越細(xì)小;只有當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 在 500～2900 內(nèi)，絮體顆粒粒徑最大，粒徑分布最均勻，而且在此范圍內(nèi)，其靜沉后所形成的絮體顆粒也較大，且上清液中剩余顆粒總數(shù)較少，濁度去除率較高，高于60%.

　　所得濁度去除效果如圖 3 所示.由圖 3 可知，濁度去除率隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的變化，先升高后降低，在Re 為 500～2900內(nèi)，去除率均高于60%，當(dāng)Re≥2900 以后，隨著內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增大，去除率逐漸降低.表明混凝效果與流場(chǎng)形態(tài)密切相關(guān).

　　圖 3 不同條件下的絮凝效果變化情況

　　3.2 同一旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下不同混凝時(shí)刻的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)

　　從不同混凝時(shí)刻的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)圖譜中選取幾個(gè)典型的流場(chǎng)形態(tài)，用以分析研究混凝過(guò)程中，在同一旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下不同混凝時(shí)刻，瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)的變化特征.

　　圖 4 是在Re 為488、1463、2926、4877，對(duì)應(yīng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速分別為10、30、60、100 r · min-1 條件下，用PIV 測(cè)得不同絮凝進(jìn)程時(shí)刻的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)變化情況，用以表征同一轉(zhuǎn)速下，流場(chǎng)形態(tài)隨著混凝時(shí)間的推移而發(fā)生的變化過(guò)程.由圖 4 可知，在各個(gè)不同時(shí)刻，環(huán)隙中的渦旋形態(tài)發(fā)生著有規(guī)律的變化，而且對(duì)應(yīng)每一個(gè)不同的 Re，渦旋形態(tài)的伸縮變化規(guī)律均不盡相同.分析如下：內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為10 r · min-1 時(shí)(圖 4a)所示，形成的渦比較松散，渦間距較大，數(shù)量少;相鄰渦的大小隨時(shí)間在變化.內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為30 r · min-1 時(shí)(圖 4b)所示，形成的渦旋相對(duì)較完整且緊密，渦數(shù)量增多;相鄰渦的形態(tài)隨著時(shí)間發(fā)生相反的變化，一個(gè)收縮，另一個(gè)膨脹，且變化趨勢(shì)較明顯，同一個(gè)渦的渦心位置也隨時(shí)間發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)，假如在同一位置觀察則表現(xiàn)為大小渦間隔出現(xiàn).內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為60 r · min-1 時(shí)(圖 4c)所示，各個(gè)時(shí)刻下的渦形態(tài)變化不大，形成的渦完整且緊密，大小趨于均勻.內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為100 r · min-1 時(shí)，如圖 4d，各個(gè)時(shí)刻下形成的渦形態(tài)變化不大，渦的完整性受到干擾，渦內(nèi)出現(xiàn)了一些不規(guī)則的擾動(dòng).

　　圖 4 不同時(shí)刻的瞬時(shí)速度場(chǎng)

　　綜上可知，當(dāng)Re 在975～1951時(shí)，環(huán)隙中的渦旋形態(tài)、體積大小和渦心位置均隨時(shí)間發(fā)生有規(guī)律的變化，參照坐標(biāo)軸可看出，渦的體積隨著時(shí)間發(fā)生周期性的膨脹和收縮，并且渦的中心位置也隨時(shí)間發(fā)生徑向和軸向振動(dòng);隨著Re 的升高，渦與渦之間的變化與差別不斷減弱，在旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 大于3000，即轉(zhuǎn)速大于 60 r · min-1 以后，這種渦的膨脹和收縮、渦心震動(dòng)等現(xiàn)象逐漸消失，渦體積和大小趨于一致.

　　3.3 不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下絮凝過(guò)程中環(huán)隙子午面瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)

　　從不同流態(tài)下的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)圖譜中選取幾個(gè)典型的流場(chǎng)形態(tài)，用以分析研究混凝過(guò)程中，在不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)特征，并找尋絮凝效果與流場(chǎng)的形態(tài)變化特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

　　圖 5 是內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 在15000 以?xún)?nèi)(n在5～300 r · min-1)條件下，混凝過(guò)程中不同流場(chǎng)形態(tài)的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)情況.由圖 5 可看到，從Re= 488 (n為10 r · min-1)開(kāi)始，環(huán)隙間的渦就已經(jīng)形成大小相間的趨勢(shì)，只是形成的渦較松散，邊界模糊;當(dāng)Re 在488～975 (n為10～20r · min-1)之間，渦由松散的獨(dú)立式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合緊密、大小相間且相互間 有液體傳遞的半閉合式;當(dāng)Re 在975～1951 (n為20～40 r · min-1)之間，相鄰渦與渦之間體積、形態(tài)差別對(duì)比變大，一個(gè)體積大，一個(gè)體積小，一個(gè)松散，一個(gè)相對(duì)緊密;當(dāng)Re 在1951～2926 (n為40～60 r · min-1)之間，相鄰渦與渦之間體積、形態(tài)差別對(duì)比逐漸變小，渦間出現(xiàn)相對(duì)密集的速度矢量方向場(chǎng)，說(shuō)明渦間處存在主流液體移動(dòng);當(dāng)Re 在2926～4877 (n為60～100 r · min-1)之間，環(huán)隙中逐漸形成大小均勻，且相互較為獨(dú)立的、完整的完全閉合式渦旋，主流液體移動(dòng)消失;當(dāng)Re= 4877 (n為100 r · min-1)以后，規(guī)律的渦分布逐漸受到干擾，渦旋的完整性逐漸被破壞，相鄰渦旋相互連通，成為敞開(kāi)式渦旋，或大渦旋內(nèi)部產(chǎn)生一些不規(guī)則的小渦旋，隨著Re 增大，這種不規(guī)則狀態(tài)越來(lái)越強(qiáng)，直至最后整個(gè)環(huán)隙變成雜亂無(wú)章的紊流.

　　圖 5 不同流態(tài)下瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)

　　3.4 絮凝過(guò)程中環(huán)隙子午面平均速度矢量場(chǎng)

　　選取幾個(gè)典型流場(chǎng)的平均速度矢量圖組合見(jiàn)圖 6.由圖 6 可看出，隨著Re 的升高，平均速度矢量場(chǎng)中的渦也發(fā)生著變化，但是，與圖 4、圖 5 中在相同Re 下獲得的瞬時(shí)速度場(chǎng)相比，這種變化趨勢(shì)很不明顯，不如瞬時(shí)速度場(chǎng)直觀.分析原因，可能因?yàn)镻IV 所依賴(lài)的示蹤粒子是絮凝過(guò)程中生成的絮凝體，而這些絮體從絮凝開(kāi)始到結(jié)束的過(guò)程中一直都在變化，特別是到絮凝后期，絮體逐漸長(zhǎng)大，從示蹤粒子的能效方面來(lái)說(shuō)，屬于抱團(tuán)現(xiàn)象，抱團(tuán)后示蹤粒子與流體的跟隨性會(huì)變差，不利于很好地表達(dá)流場(chǎng)的變化，所以在與絮凝實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量時(shí)，瞬時(shí)速度場(chǎng)比平均速度場(chǎng)能更好地反映流場(chǎng)的瞬時(shí)變化特征.

　　圖 6 各流態(tài)下平均速度場(chǎng)

　　3.5 討論

　　綜合圖 3～圖 5可看出，絮凝效果是在連續(xù)Re 范圍區(qū)間內(nèi)變化的，可以推知，混凝效果與流場(chǎng)內(nèi)的渦形態(tài)密切相關(guān).這可以結(jié)合絮體顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)加以闡述：當(dāng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re<975或 Re >4877 條件下，環(huán)隙中所形成的渦旋是獨(dú)立的、或全開(kāi)放式的，絮體顆�；蛘咻p柔地在一個(gè)渦旋中運(yùn)動(dòng)，或者劇烈地從一個(gè)開(kāi)放式渦旋流向另一個(gè)開(kāi)放式渦旋，結(jié)果不是由于顆粒碰撞的幾率太低而生成較少的絮凝體，就是由于速度太過(guò)劇烈而很難生成絮凝體，而得不到良好的絮凝效果，在這種渦流態(tài)下的絮凝效果均不理想，濁度去除率均低于50%.而當(dāng)Re在 900～2900 時(shí)，環(huán)隙中所形成的渦旋結(jié)合緊密、大小相間，且混凝過(guò)程中渦旋流場(chǎng)隨著時(shí)間的推移呈有規(guī)律的波狀膨脹和收縮變化.在這種流場(chǎng)中，不僅同一個(gè)渦內(nèi)的絮體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨著渦旋周期性的膨脹收縮而增大或減小，甚至改變運(yùn)動(dòng)方向，引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞，產(chǎn)生出較大絮體顆粒;而且流場(chǎng)中不同渦之間的絮體顆粒也有可能隨著主流液體的移動(dòng)而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞，產(chǎn)生出更多的絮體顆粒.在這種渦形態(tài)下絮凝效果很好，沉淀去除率均高于60%.

　　結(jié)合圖 4，還可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，混凝效果較好的流場(chǎng)中，其渦形態(tài)的體積大小會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生周期性的膨脹和收縮，渦心位置也隨時(shí)間發(fā)生著變化;而混凝效果較差的流場(chǎng)中則不存在這種變化過(guò)程，在各個(gè)混凝時(shí)刻，其渦形態(tài)變化不大，大小趨于均勻.所以，可以認(rèn)為這種周期性變化、渦相互之間存在液體傳遞的波狀渦結(jié)構(gòu)有利于絮體顆粒的結(jié)合生長(zhǎng)，最終帶來(lái)較高的絮凝沉淀去除率.

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　　4 結(jié)論

　　1)混凝過(guò)程中不同的流場(chǎng)形態(tài)可以導(dǎo)致不同的絮凝沉淀效果，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re 在 900～2900 時(shí)，流場(chǎng)中產(chǎn)生的渦具有相似的特殊波狀渦結(jié)構(gòu)，相鄰渦旋形態(tài)大小發(fā)生周期性變化，這種渦結(jié)構(gòu)有利于絮體顆粒的結(jié)合生長(zhǎng)，并產(chǎn)生較高的絮凝沉淀去除率.

　　2)在混凝過(guò)程中用絮凝體為示蹤粒子同步進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量時(shí)，各轉(zhuǎn)速下的平均速度場(chǎng)渦變化特征很不明顯，不如瞬時(shí)速度場(chǎng)直觀，瞬時(shí)速度場(chǎng)能更好地反映流場(chǎng)的變化特征.

　　3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好地反映出絮凝過(guò)程中環(huán)隙流場(chǎng)在不同的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)變化特征，這也說(shuō)明了可以將絮凝反應(yīng)過(guò)程中高嶺土與絮凝劑復(fù)合生成的絮體作為示蹤粒子，利用PIV 對(duì)混凝過(guò)程進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)絮凝過(guò)程的同步測(cè)量與表征.