湍流絮凝是一個重要的科學難題，現(xiàn)有絮凝動力學理論尚不能很好解釋和預測實際水處理中占主導地位的湍流絮凝，因而限制了絮凝理論和實踐的進一步發(fā)展.實驗測量是取得有關絮凝反應器流場中絮體顆粒運動詳盡信息的重要手段，如何獲取混凝流場中絮體顆粒的運動信息對研究混凝機理具有重要的影響.粒子圖像速度場儀(PIV)是一種非接觸式的流場測量技術，具有較高的精度和空間分辨率.在流場中投加示蹤粒子后，可以全面直觀地觀察到流場的形態(tài)，得到渦量分布信息.
Taylor-Couette反應器是一種傳統(tǒng)的渦絮凝反應器，由兩個同心轉筒構成，兩筒間隙約為10～15 mm，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(fā)生渦流動.當內筒轉速從零開始增加至一定值時，環(huán)隙流體會經歷一系列流態(tài)的轉變，先后出現(xiàn)層流泰勒渦流動(TWF)、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，最終成為充分發(fā)展的湍流.其中各種流動狀態(tài)下，流場中含有不同數(shù)量、不同特性的渦及不同強度、不同方向的局部瞬時速度梯度場，因此可以利用Taylor-Couette反應器進行絮凝反應，通過控制其發(fā)生條件，人工獲取混凝過程中的各種含渦流場，研究各種流動狀態(tài)下渦流場內發(fā)生的碰撞聚集以及絮體顆粒的運動及凝聚過程，探討混凝過程中渦流場對顆粒碰撞聚集作用及其對絮凝效果的影響.
Taylor-Couette反應器內各種流態(tài)的轉變分別出現(xiàn)于旋轉雷諾數(shù)Re的某特定值.Re定義為
式中，ω為內筒旋轉角速度(rad · s-1);ri為內筒半徑(m);d = r0-ri 為環(huán)隙的寬度(m);ν 為流體的運動粘度(m2 · s-1).在實驗中改變旋轉雷諾數(shù)Re 的大小就可控制各種流態(tài)的發(fā)生.
在Taylor-Couette 反應器內進行絮凝試驗時，環(huán)隙流場中存在著諸多絮體粒子，本研究將通過實驗驗證利用混凝過程中的絮體粒子為PIV的示蹤粒子，在混凝的同時進行流場測量，把原先分別獨立進行的絮凝實驗與流場測量兩個環(huán)節(jié)合二為一，從而同步揭示湍流絮凝過程中流場的微觀結構特征.
2 材料與方法
2.1 儀器和實驗裝置
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=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.內筒由ABB控制電機驅動，并在目標轉速下旋轉，使環(huán)隙流體產生不同的流態(tài).
PIV系統(tǒng)由丹麥Dantec Dynamics公司生產，主要有雙脈沖Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機、同步器(HUB)、計算機及軟件系統(tǒng)等組成.將PIV系統(tǒng)應用于Taylor-Couette反應器，試驗裝置如圖 1所示.
圖 1 PIV流場測定實驗裝置示意圖
2.2 實驗方法
2.2.1 混凝實驗與流場測量
由于ω=2πn，所以，為方便實驗操作，可通過控制內筒轉速n來實現(xiàn)旋轉雷諾數(shù)與流態(tài)的要求，也就是在實驗過程中，以轉速n(r · min-1)作為參數(shù)來控制環(huán)隙流體的流動狀態(tài).為避免光學畸變，將內筒與外筒一并置于一個方形的plexiglas玻璃水槽，并在此水槽中充入蒸餾水.將激光片光定位于反應器環(huán)隙子午面上，再將CCD相機設置在與激光器發(fā)出的片光垂直的方向上，以獲取激光面上流場內的粒子圖像.事先用高嶺土和自來水配制2% 的懸濁儲備液待用.將1500 mL自來水加入到Taylor-Couette反應器環(huán)隙中，再加入7.5 mL高嶺土懸濁儲備液，以500 r · min-1的內筒轉速強烈旋轉混合，作為處理水樣，此時水樣濁度穩(wěn)定在100 NTU左右.按照預先選定的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的內筒轉速旋轉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微絮體顆粒;緊接著以不同的目標轉速緩慢旋轉10 min，以進行充分的絮凝反應.此時，對應每一個轉速，均在絮凝反應過程進行到第4、6、8、9 min時分別啟動PIV拍攝一組粒子圖像，并記錄圖片數(shù)據(jù)，每組至少20對照片.完后再靜置沉降10 min，再從水面下210 mm 處取樣測定剩余濁度.采用哈納HI93703-11型濁度測定儀(中國北京哈納科儀科技有限公司).流場測量區(qū)域為Taylor-Couette反應器環(huán)隙子午面，如圖 2所示.
圖 2 環(huán)隙子午面測定區(qū)域
對每對粒子圖像，應用Flowmap軟件系統(tǒng)中的Adapt Correlation命令進行自適應互相關分析，得到各轉速下流場在各個時刻的瞬時速度矢量場，處理過程中一般采用的分析查問區(qū)為32×32像素，50%重疊率.再應用Average Correlation，可進一步分析得到各流場的平均速度矢量場.為了全面觀測流場的變化過程，對獲得的所有速度矢量圖進行分析計算，將每一轉速下，在絮凝反應過程進行到第4、6、8、9 min時，獲得的4個不同混凝時刻下的瞬時速度矢量場組成圖譜，可表征在同一流態(tài)下，不同絮凝進程時刻流場的變化特征;抽取每個轉速下任一時刻瞬時速度矢量圖，按照轉速從小到大組合到一起即可得到混凝過程中不同流態(tài)下的瞬時速度矢量場圖譜，以全面詳細地表征各種不同流場形態(tài)特征及其變化情況，并定量分析與之相對應的內筒旋轉雷諾數(shù)的變化范圍.
3 結果與討論
3.1 內筒旋轉雷諾數(shù)與混凝效果
投加 10 mg · L-1 PAC絮凝劑，在不同的轉速下進行重復性混凝實驗.混凝過程中，絮體顆粒的形態(tài)與粒徑均隨著內筒轉速的變化而表現(xiàn)出不同的特征：當內筒旋轉雷諾數(shù)Re 較小(Re<488)時，絮凝劑很難相互結合形成密實的大顆粒絮體，此時觀察到的只是松散的絮體形貌;當內筒旋轉雷諾數(shù)Re 較大(Re>4877)后，形成的絮體顆粒細小，Re 越大，絮體破碎越厲害，絮體顆粒越細小;只有當內筒旋轉雷諾數(shù)Re 在 500～2900 內，絮體顆粒粒徑最大，粒徑分布最均勻，而且在此范圍內，其靜沉后所形成的絮體顆粒也較大，且上清液中剩余顆?？倲?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，濁度去除率隨著內筒轉速的變化，先升高后降低，在Re 為 500～2900內，去除率均高于60%，當Re≥2900 以后，隨著內筒旋轉雷諾數(shù)增大，去除率逐漸降低.表明混凝效果與流場形態(tài)密切相關.
圖 3 不同條件下的絮凝效果變化情況
3.2 同一旋轉雷諾數(shù)下不同混凝時刻的瞬時速度矢量場
從不同混凝時刻的瞬時速度矢量場圖譜中選取幾個典型的流場形態(tài)，用以分析研究混凝過程中，在同一旋轉雷諾數(shù)下不同混凝時刻，瞬時速度矢量場的變化特征.
圖 4 是在Re 為488、1463、2926、4877，對應內筒轉速分別為10、30、60、100 r · min-1 條件下，用PIV 測得不同絮凝進程時刻的瞬時速度矢量場變化情況，用以表征同一轉速下，流場形態(tài)隨著混凝時間的推移而發(fā)生的變化過程.由圖 4 可知，在各個不同時刻，環(huán)隙中的渦旋形態(tài)發(fā)生著有規(guī)律的變化，而且對應每一個不同的 Re，渦旋形態(tài)的伸縮變化規(guī)律均不盡相同.分析如下：內筒轉速為10 r · min-1 時(圖 4a)所示，形成的渦比較松散，渦間距較大，數(shù)量少;相鄰渦的大小隨時間在變化.內筒轉速為30 r · min-1 時(圖 4b)所示，形成的渦旋相對較完整且緊密，渦數(shù)量增多;相鄰渦的形態(tài)隨著時間發(fā)生相反的變化，一個收縮，另一個膨脹，且變化趨勢較明顯，同一個渦的渦心位置也隨時間發(fā)生徑向和軸向振動，假如在同一位置觀察則表現(xiàn)為大小渦間隔出現(xiàn).內筒轉速為60 r · min-1 時(圖 4c)所示，各個時刻下的渦形態(tài)變化不大，形成的渦完整且緊密，大小趨于均勻.內筒轉速為100 r · min-1 時，如圖 4d，各個時刻下形成的渦形態(tài)變化不大，渦的完整性受到干擾，渦內出現(xiàn)了一些不規(guī)則的擾動.
圖 4 不同時刻的瞬時速度場
綜上可知，當Re 在975～1951時，環(huán)隙中的渦旋形態(tài)、體積大小和渦心位置均隨時間發(fā)生有規(guī)律的變化，參照坐標軸可看出，渦的體積隨著時間發(fā)生周期性的膨脹和收縮，并且渦的中心位置也隨時間發(fā)生徑向和軸向振動;隨著Re 的升高，渦與渦之間的變化與差別不斷減弱，在旋轉雷諾數(shù)Re 大于3000，即轉速大于 60 r · min-1 以后，這種渦的膨脹和收縮、渦心震動等現(xiàn)象逐漸消失，渦體積和大小趨于一致.
3.3 不同旋轉雷諾數(shù)下絮凝過程中環(huán)隙子午面瞬時速度矢量場
從不同流態(tài)下的瞬時速度矢量場圖譜中選取幾個典型的流場形態(tài)，用以分析研究混凝過程中，在不同旋轉雷諾數(shù)下，瞬時速度矢量場特征，并找尋絮凝效果與流場的形態(tài)變化特征之間的關聯(lián)關系.
圖 5 是內筒旋轉雷諾數(shù)Re 在15000 以內(n在5～300 r · min-1)條件下，混凝過程中不同流場形態(tài)的瞬時速度矢量場情況.由圖 5 可看到，從Re= 488 (n為10 r · min-1)開始，環(huán)隙間的渦就已經形成大小相間的趨勢，只是形成的渦較松散，邊界模糊;當Re 在488～975 (n為10～20r · min-1)之間，渦由松散的獨立式逐漸轉變?yōu)榻Y合緊密、大小相間且相互間 有液體傳遞的半閉合式;當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)差別對比變大，一個體積大，一個體積小，一個松散，一個相對緊密;當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)差別對比逐漸變小，渦間出現(xiàn)相對密集的速度矢量方向場，說明渦間處存在主流液體移動;當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，且相互較為獨立的、完整的完全閉合式渦旋，主流液體移動消失;當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，成為敞開式渦旋，或大渦旋內部產生一些不規(guī)則的小渦旋，隨著Re 增大，這種不規(guī)則狀態(tài)越來越強，直至最后整個環(huán)隙變成雜亂無章的紊流.
圖 5 不同流態(tài)下瞬時速度矢量場
3.4 絮凝過程中環(huán)隙子午面平均速度矢量場
選取幾個典型流場的平均速度矢量圖組合見圖 6.由圖 6 可看出，隨著Re 的升高，平均速度矢量場中的渦也發(fā)生著變化，但是，與圖 4、圖 5 中在相同Re 下獲得的瞬時速度場相比，這種變化趨勢很不明顯，不如瞬時速度場直觀.分析原因，可能因為PIV 所依賴的示蹤粒子是絮凝過程中生成的絮凝體，而這些絮體從絮凝開始到結束的過程中一直都在變化，特別是到絮凝后期，絮體逐漸長大，從示蹤粒子的能效方面來說，屬于抱團現(xiàn)象，抱團后示蹤粒子與流體的跟隨性會變差，不利于很好地表達流場的變化，所以在與絮凝實驗同步進行流場測量時，瞬時速度場比平均速度場能更好地反映流場的瞬時變化特征.
圖 6 各流態(tài)下平均速度場
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)間內變化的，可以推知，混凝效果與流場內的渦形態(tài)密切相關.這可以結合絮體顆粒在流場中的運動加以闡述：當內筒旋轉雷諾數(shù)Re<975或 Re >4877 條件下，環(huán)隙中所形成的渦旋是獨立的、或全開放式的，絮體顆粒或者輕柔地在一個渦旋中運動，或者劇烈地從一個開放式渦旋流向另一個開放式渦旋，結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Re在 900～2900 時，環(huán)隙中所形成的渦旋結合緊密、大小相間，且混凝過程中渦旋流場隨著時間的推移呈有規(guī)律的波狀膨脹和收縮變化.在這種流場中，不僅同一個渦內的絮體顆粒的運動速度會隨著渦旋周期性的膨脹收縮而增大或減小，甚至改變運動方向，引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞，產生出較大絮體顆粒;而且流場中不同渦之間的絮體顆粒也有可能隨著主流液體的移動而在運動過程中發(fā)生碰撞，產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%.
結合圖 4，還可進一步發(fā)現(xiàn)，混凝效果較好的流場中，其渦形態(tài)的體積大小會隨著時間發(fā)生周期性的膨脹和收縮，渦心位置也隨時間發(fā)生著變化;而混凝效果較差的流場中則不存在這種變化過程，在各個混凝時刻，其渦形態(tài)變化不大，大小趨于均勻.所以，可以認為這種周期性變化、渦相互之間存在液體傳遞的波狀渦結構有利于絮體顆粒的結合生長，最終帶來較高的絮凝沉淀去除率.
4 結論
1)混凝過程中不同的流場形態(tài)可以導致不同的絮凝沉淀效果，內筒旋轉雷諾數(shù)Re 在 900～2900 時，流場中產生的渦具有相似的特殊波狀渦結構，相鄰渦旋形態(tài)大小發(fā)生周期性變化，這種渦結構有利于絮體顆粒的結合生長，并產生較高的絮凝沉淀去除率.
2)在混凝過程中用絮凝體為示蹤粒子同步進行流場測量時，各轉速下的平均速度場渦變化特征很不明顯，不如瞬時速度場直觀，瞬時速度場能更好地反映流場的變化特征.
3)實驗結果能較好地反映出絮凝過程中環(huán)隙流場在不同的內筒轉速下的流場變化特征，這也說明了可以將絮凝反應過程中高嶺土與絮凝劑復合生成的絮體作為示蹤粒子，利用PIV 對混凝過程進行流場測量，實現(xiàn)對絮凝過程的同步測量與表征.
