絮體分形成長(zhǎng)與流場(chǎng)協(xié)同作用機(jī)制及數(shù)值模擬研究.pdf

1、絮凝是水處理的核心操作單元之一。該過(guò)程中形成絮體的粒度、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等對(duì)絮凝效果及后續(xù)的固液分離行為都具有重要的影響。因此,能否形成性能良好的絮體,是絮凝工藝的關(guān)鍵,這主要取決于絮凝機(jī)理及絮體成長(zhǎng)過(guò)程。然而,由于絮體形成與它所處的物化條件和水動(dòng)力學(xué)環(huán)境之間關(guān)系密切,整體上呈現(xiàn)紛繁復(fù)雜性和具有混沌性,再加之試驗(yàn)和檢測(cè)手段的制約,致使人們對(duì)絮體成長(zhǎng)與多項(xiàng)影響因子在動(dòng)態(tài)絮凝過(guò)程中的相互作用仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。
　　本文以絮凝試驗(yàn)為基礎(chǔ)研究手

2、段,并通過(guò)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)水動(dòng)力學(xué)環(huán)境(三維流場(chǎng))和絮體分形成長(zhǎng)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬,嘗試將試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果同數(shù)值計(jì)算有機(jī)結(jié)合起來(lái),進(jìn)而對(duì)動(dòng)態(tài)絮凝過(guò)程中絮體分形成長(zhǎng)與流場(chǎng)協(xié)同作用機(jī)制進(jìn)行了深入探討。試驗(yàn)研究中,以聚合氯化鋁(PAC)為絮凝劑、高嶺土和腐植酸懸濁液為試驗(yàn)水樣,借助水中絮體形態(tài)原位識(shí)別技術(shù)對(duì)方形反應(yīng)器內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)的絮體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和原位分析,以期更為準(zhǔn)確地對(duì)動(dòng)態(tài)絮凝過(guò)程中絮體粒度和結(jié)構(gòu)的演變特征進(jìn)行定量描述。
　　通過(guò)對(duì)具有不同幾何

3、結(jié)構(gòu)特征的方形反應(yīng)器內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)工況下的絮凝試驗(yàn)現(xiàn)象相聯(lián)系,初步考察了反應(yīng)器內(nèi)水流結(jié)構(gòu)與絮體成長(zhǎng)的相互作用關(guān)系。研究結(jié)果表明,只有在適宜的高寬比(如H=D)、擋板條件(如B=0.10D)和槳葉高度(如C=0.33H)時(shí),才能確保反應(yīng)器內(nèi)槳葉區(qū)及其附近的紊動(dòng)耗散率較大和水流循環(huán)時(shí)間較短,使盡可能多的顆粒參與到流體的大循環(huán)中,同時(shí)還可最大限度地消除“死水區(qū)”,實(shí)現(xiàn)顆粒在槳葉區(qū)及其附近充分碰撞凝聚,加快絮凝反應(yīng),

4、獲得理想的絮凝效果。研究還發(fā)現(xiàn),較大的絮凝強(qiáng)度可減弱上述條件對(duì)絮凝后期絮體形態(tài)演變的影響;較長(zhǎng)的沉淀時(shí)間也可削弱各工況時(shí)剩余濁度的差異。
　　為了深入探索絮體內(nèi)部構(gòu)造,對(duì)傳統(tǒng)有限擴(kuò)散凝聚(DLA)模型進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn),在模型中考慮了不同粒子來(lái)源時(shí)總凝聚粒子數(shù)以及粒子可運(yùn)動(dòng)區(qū)域、粘結(jié)方式和粘附幾率等的影響,并借助新模型實(shí)現(xiàn)了單一或多個(gè)凝聚核時(shí)顆粒聚集過(guò)程的可視化。通過(guò)系統(tǒng)分析單凝聚核時(shí)虛擬絮體的成長(zhǎng)及形態(tài)統(tǒng)計(jì)特性,發(fā)現(xiàn)絮體在粒度增加的

5、同時(shí),其致密性開(kāi)始下降,結(jié)構(gòu)變得疏松多孔,強(qiáng)度也隨之降低,致使絮體抵抗水流剪切破壞的能力變?nèi)?。此?在全圓周粒子源條件下,可實(shí)現(xiàn)“絮凝核心”在各個(gè)方向上充分發(fā)育,為隨機(jī)粒子提供更多的粘附位置,最終使所形成虛擬絮體的粒度比半圓周粒子源的要大,其結(jié)構(gòu)也比后者的要致密。多凝聚核時(shí)的模擬結(jié)果表明,在多個(gè)凝聚核的顆粒聚集過(guò)程中,各凝聚集團(tuán)的分形成長(zhǎng)之間存在著競(jìng)爭(zhēng)作用,且凝聚核的間距越小,競(jìng)爭(zhēng)作用越激烈,這對(duì)深化認(rèn)識(shí)絮體的成長(zhǎng)機(jī)制有重要意義。研究還

6、發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)網(wǎng)格占有率的增加是絮體密度增大和結(jié)構(gòu)變得致密的主要原因,也是導(dǎo)致其邊界分形維數(shù)減小和空隙率下降的主要因素。
　　在絮體分形結(jié)構(gòu)虛擬模擬的基礎(chǔ)上,分別對(duì)絮體破碎及再形成過(guò)程絮體形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析,以考察顆粒破碎行為對(duì)其形態(tài)演變的影響及絮體的分形成長(zhǎng)特征。研究發(fā)現(xiàn):
　　(a)在虛擬絮體成長(zhǎng)過(guò)程中,存在一個(gè)使其由各向同性向各向異性過(guò)渡的臨界時(shí)刻,之后各枝杈對(duì)彼此生長(zhǎng)的抑制作用增強(qiáng);
　　

7、(b)絮體抵抗剪切破壞能力主要取決于其質(zhì)心附近顆粒的空間分布,而受遠(yuǎn)離質(zhì)心的區(qū)域內(nèi)顆粒重組的影響較弱;
　　(c)破碎后形成的絮體碎片,為再形成階段懸浮顆粒(或微小團(tuán)簇)的重組提供了更多的附著位點(diǎn),它們的粒度及結(jié)構(gòu)決定著再形成過(guò)程絮凝核心的性能。
　　研究認(rèn)為,在具體操作時(shí)需要合理控制絮凝體系的物化條件,既不能使絮體過(guò)度破碎,也不能讓破碎后的絮體過(guò)度生長(zhǎng),這均不利于改善最終形成絮體的性能。
　　基于前文及相關(guān)文獻(xiàn)的研究

8、,本文建立了一種新的絮體動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型,并借助該概念模型,通過(guò)對(duì)低剪切條件下以及多級(jí)攪拌時(shí)絮體形態(tài)演變特征的分析,深入探討了動(dòng)態(tài)絮凝過(guò)程中絮體分形成長(zhǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),由絮體破裂及隨之發(fā)生的再形成行為引起的重組過(guò)程中形成凝聚體的粒度比由絮體破損及隨后的再形成過(guò)程形成的要大,結(jié)構(gòu)也更為致密,這有助于絮凝反應(yīng)池的優(yōu)化設(shè)計(jì),也為形成特定絮體結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。此外,由于分形凝聚體的自相似性,對(duì)于任一絮凝強(qiáng)度,絮體邊界分形維數(shù)進(jìn)入穩(wěn)