絮凝的數學描述一般分為兩個立的過程:遷移和粘附。遷移過程產生顆粒的碰撞。遷移是由水中顆粒的速度差異引起。在折板絮凝池中,速度差異認為是以下3種因素造成:(1)顆粒的布朗運動(異向絮凝中起主要作用;(2)紊流渦旋(同向絮凝);(3)顆粒間沉降速度的差異(差速絮凝)。粘附作用取決于和顆粒物本身表面性質有關的瞬時作用力。
同時,大尺度的渦旋從主流吸取動能,在運動過程中傳遞給較小尺度的渦旋,這樣逐級傳遞,一直到微尺度的渦旋。在較大尺度的渦運動中,流體粘性幾乎不起作用,可忽略不計,因而在動能傳遞中幾乎沒有能耗;而在微尺度的渦旋運動中,流體粘性將起主要作用,傳送到這些低級渦旋的能量就會通過粘性作用轉化為熱能。水流中同時存在無數大大小小的渦旋,產生一系列的脈動頻率,具有連續的頻譜。
折板絮凝池的設計主要控制參數是水流速度、水頭損失和絮凝時間,但建成后往往發現實際運行參數與設計值相差甚遠。以水頭損失的計算為例,設計手冊中,其計算采用的是明渠漸擴和漸縮公式,有人通過研究發現,豎流折板絮凝池水頭損失實測值與設計計算值相差較大,實測值明顯小于設計計算值。
開發新型、、安全的絮凝劑,深入研究絮凝基礎理論及其控制技術,現已成為一門迅速發展的科學與技術。絮凝過程是一個復雜的動態過程,盡管要地表達某一水質、絮凝劑和水流流態特性因素對絮凝效果的影響還存在很大的困難,但隨著多學科技術集成度的提高以及實際應用的需要,預計折板絮凝研究將在如下方面有所發展:
好的絮凝效果不僅需要大量的顆粒碰撞,還需要控制顆粒進行合理有效的碰撞,使顆粒聚集起來。速度梯度是絮凝過程中常用的控制動力學因素。根據絮凝動力學理論得知,絮凝過程中的速度梯度值是逐漸減小的;而且開始時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,才能發生有效碰撞。理論上,攪拌強度越大,速度梯度越大,相互接觸碰撞的機會越多。但攪拌強度大(G值大),水流的剪切力就大,松散的絮體受到水流剪切會二次斷開成為小絮體。因此要求攪拌的強度(也就是速度梯度)隨著絮凝的進行而逐漸變小。整個混凝的過程中,G值是遞減的。但是速度梯度遞減規律,國內外的還沒有定論。
通過混凝動力學的研究,得到了混凝動力學中速度梯度與時間的關系G=G(0)/1+Kt;并通過擬合得到往復式絮凝池速度梯度的變化規律近似符合混凝動力學對速度梯度變化的要求;同時參考了往復式絮凝池的新研究成果—將往復式絮凝池轉彎處的矩形渠道變成圓弧形狀,設計出一種的往復式絮凝池。通過數學模擬發現:優化后的往復式絮凝池拐彎處的圓弧形渠道能夠消除傳統往復式絮凝池轉彎處的死水區,而且圓弧形渠道處的水流速度比矩形渠道處的分布均勻,有利于節約能耗。
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