絮體分形成長與流場協(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。該過程中形成絮體的粒度、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等對絮凝效果及后續(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)理及絮體成長過程。然而,由于絮體形成與它所處的物化條件和水動力學(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,再加之試驗和檢測手段的制約,致使人們對絮體成長與多項影響因子在動態(tài)絮凝過程中的相互作用仍缺乏足夠的認(rèn)識。
　　本文以絮凝試驗為基礎(chǔ)研究手

2、段,并通過對反應(yīng)器內(nèi)水動力學(xué)環(huán)境(三維流場)和絮體分形成長過程的計算機(jī)模擬,嘗試將試驗現(xiàn)象與結(jié)果同數(shù)值計算有機(jī)結(jié)合起來,進(jìn)而對動態(tài)絮凝過程中絮體分形成長與流場協(xié)同作用機(jī)制進(jìn)行了深入探討。試驗研究中,以聚合氯化鋁(PAC)為絮凝劑、高嶺土和腐植酸懸濁液為試驗水樣,借助水中絮體形態(tài)原位識別技術(shù)對方形反應(yīng)器內(nèi)不斷運動的絮體進(jìn)行實時監(jiān)測和原位分析,以期更為準(zhǔn)確地對動態(tài)絮凝過程中絮體粒度和結(jié)構(gòu)的演變特征進(jìn)行定量描述。
　　通過對具有不同幾何

3、結(jié)構(gòu)特征的方形反應(yīng)器內(nèi)三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并將計算結(jié)果與相應(yīng)工況下的絮凝試驗現(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,才能確保反應(yīng)器內(nèi)槳葉區(qū)及其附近的紊動耗散率較大和水流循環(huán)時間較短,使盡可能多的顆粒參與到流體的大循環(huán)中,同時還可最大限度地消除“死水區(qū)”,實現(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絮凝后期絮體形態(tài)演變的影響;較長的沉淀時間也可削弱各工況時剩余濁度的差異。
　　為了深入探索絮體內(nèi)部構(gòu)造,對傳統(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源時總凝聚粒子數(shù)以及粒子可運動區(qū)域、粘結(jié)方式和粘附幾率等的影響,并借助新模型實現(xiàn)了單一或多個凝聚核時顆粒聚集過程的可視化。通過系統(tǒng)分析單凝聚核時虛擬絮體的成長及形態(tài)統(tǒng)計特性,發(fā)現(xiàn)絮體在粒度增加的

5、同時,其致密性開始下降,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,可實現(xiàn)“絮凝核心”在各個方向上充分發(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。多凝聚核時的模擬結(jié)果表明,在多個凝聚核的顆粒聚集過程中,各凝聚集團(tuán)的分形成長之間存在著競爭作用,且凝聚核的間距越小,競爭作用越激烈,這對深化認(rèn)識絮體的成長機(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,分別對絮體破碎及再形成過程絮體形態(tài)的動態(tài)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗分析,以考察顆粒破碎行為對其形態(tài)演變的影響及絮體的分形成長特征。研究發(fā)現(xiàn):
　　(a)在虛擬絮體成長過程中,存在一個使其由各向同性向各向異性過渡的臨界時刻,之后各枝杈對彼此生長的抑制作用增強(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,它們的粒度及結(jié)構(gòu)決定著再形成過程絮凝核心的性能。
　　研究認(rèn)為,在具體操作時需要合理控制絮凝體系的物化條件,既不能使絮體過度破碎,也不能讓破碎后的絮體過度生長,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態(tài)生長模型,并借助該概念模型,通過對低剪切條件下以及多級攪拌時絮體形態(tài)演變特征的分析,深入探討了動態(tài)絮凝過程中絮體分形成長與流場的協(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程中形成凝聚體的粒度比由絮體破損及隨后的再形成過程形成的要大,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,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,對于任一絮凝強(qiáng)度,絮體邊界分形維數(shù)進(jìn)入穩(wěn)