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。
眾多的水處理工作者均認為:只有具有與顆粒尺寸相同數量級的渦旋才對碰撞有效,其它的不起作用。由于實際的絮體顆粒尺寸變化幅度是1-1000um,因此,有很大一段的渦旋起作用,不能嚴格劃分大小渦旋的界限。紊動的擴散作用主要取決于大尺度的紊動。大渦旋的尺度可以認為與折板單元的尺度數量級相同。折板單元連續的縮放,使水流形成大量不同尺度的渦旋,促進了水流內部絮體顆粒間的相對運動,增加了碰撞機會,所以相對于隔板絮凝池,絮凝效果大大提高。
加強絮凝動力學,特別是水流狀態對絮凝沉淀效果的影響方面的深入研究。運用PIV技術研究折板絮凝池內部流場將是一個較好的實驗測試方法。該技術突破了空間單點測量技術的局限性,可在同一時刻記錄下整個測量平面的有關信息,從而可以獲得流動的瞬時平面速度場、脈動速度場、渦量場和雷諾應力分布等,因此非常適于研究渦流、湍流等復雜的流動結構。河海大學已運用PIV進行了往復隔板絮凝池內部流場的研究,海軍工程大學進行了靜態混合器的PIV實驗研究。另外可利用近年不斷出現的CFD(Com-putational Fluid Dynamics)商業軟件,如FLUENT,ANSYS,CFX等模擬分析流場流動,特別是FLUENT軟件推出的多種優化的物理模型如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應等等,可達到縮短設計過程,減少實驗室測定試驗的數目,減少產品開發成本的目的。
合理地選定和優化混凝工藝,不僅會提高出水水質,還能達到節能、節藥及降低運行費用的目的。往復式隔板絮凝池是依靠水流在廊道間的往返流動,使顆粒碰撞聚集。實際運行資料表明,有些絮凝池在運行過程中絮凝效果不佳,致使后續工藝的出水水質遠低于設計水平。國內外常用的方法是將CFD 模型應用到絮凝過程中,并已經證明CFD對絮凝模擬的實用有效性。通過絮凝動力學的研究,得到了絮凝中重要參數速度梯度值(G值)隨時間的變化規律,并將CFD模型應用到往復式隔板絮凝池的設計過程中,通過流體力學軟件FLUENT的數值模擬,得到了往復式隔板絮凝池內部水流的狀態和內部的流場,并對模擬結果進行了深入的分析,定性分析水流狀態對絮凝處理效果的影響。
傳統往復式絮凝池在矩形渠道拐彎處速度方向改變為180°直接轉變,而圓弧形渠道拐彎處的速度方向則是逐漸變化,變化比矩形拐彎渠道平緩的多。而其圓弧形拐彎渠道能夠產生慣性離心力,進而產生各種微渦旋,根據王紹文教授提出的“慣性效應是絮凝的動力學致因”可知,圓弧形渠道能夠提高絮凝效率,即絮凝效率較高
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。