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    [往复隔板絮凝池涡漩流场的研究与探讨（詹咏,杨习居,范海雁,朱雪诞）]

    时间：2020-02-23 07:43:06来源：百花范文网本文已影响人
     

    摘要: 往复隔板絮凝池不同边壁形状水流结构对混凝沉淀效果有影响，但由于往复隔板絮凝池廊道狭窄、絮凝池拐弯水流结构复杂，致使整个流场的量测十分困难。应用粒子图像测速技术，建立了研究往复隔板絮凝池水流结构的室内测试系统。对往复隔板絮凝池拐弯处水流涡漩运动进行了研究，使用量测系统软件，对不同方案下水流涡漩运动进行了分析，并对混凝沉淀效果进行了比较。

     

    关 键 词: 往复隔板絮凝池;边壁形状;涡漩;PIV

     

    中图分类号: TV131.3 文献标识码: A

     

    1 概述

     

    从往复隔板絮凝池不同边壁形状水流结构对混凝沉淀效果影响的现场试验研究［1］ 可知:涡漩运动在混凝沉淀过程中起着非常重要的作用，特别对于一些水质较差的水源，如低温、低浊水，由于水温低，水分子热运动较弱，浊度低时水中胶体颗粒少，因此，混凝剂水解产物与胶体颗粒以及胶体颗粒自身的接触减少，比较难于形成絮体颗粒。此时，水中涡漩运动的存在，特别是大涡漩逐次分解形成小涡漩的紊动作用，大大增加了颗粒之间的碰撞几率，提高了混凝反应的效率。这是由于将传统性往复隔板絮凝池拐弯及隔板断面设计成圆弧形时，形状的改变引起的水流结构不同，而不同边壁形状是如何影响水流结构的，对混凝沉淀效果又将产生如何的影响等问题，必须通过流场的实测资料来解释。

     

    以前，由于测试手段的落后以及往复隔板絮凝池所具有的廊道狭窄、絮凝池拐弯水流结构复杂，特别是水流由众多大小不一的涡漩结构组成等特点，使得整个流场的量测工作十分困难，对流场的测试仅局限于照相机、摄像机，甚至是人为定性地观察，缺乏整个流场定量测试的精确可靠资料，致使人们对絮凝池中混凝现象和涡漩运动的认识很有限。随着量测技术的不断发展，为絮凝池的定量测试工作开辟了广阔的发展空间。例如，本人曾经采用旋桨流速仪来测试流场中的流速分布，但由于旋桨对尘埃、温度、水面折射等条件很敏感，使得在量测过程中需要不断地校准旋桨，测试和数据处理工作都十分烦琐，尤其是在狭窄的廊道中采用直接接触流场的量测方式，使得测试结果的精确度和可靠性都很低。如果采用非接触式激光测速（LDV）的方法，一般情况下不会对流场产生干扰，且其空间分辨率与精度都很高，比较适应狭窄流场的量测工作。但由于该仪器价格昂贵，特别是开始时的光路调整工作比较困难，粒子布放和有效数据判别等问题也颇为麻烦。而与激光测速有着类似优点的粒子图像测速（Particle image velocimetry，缩写PIV）技术，调试工作则比较容易，加上配置有光臂等部件，使得调整测试的工作很方便，价格比LDV便宜，而且PIV技术的特点就是适应于狭窄流场、漩涡运动较复杂等地方的量测工作。由此，本实验研究采用PIV技术来测试不同边壁形状往复隔板絮凝池的涡漩流场。

     

    2 试验方案的布置

     

    试验设计了两种方案，一种是大中型老水厂常采用隔板断面为矩形，廊道拐弯处为直角的方案1;另一种方案是针对方案1的往复隔板絮凝池前部速度梯度过小而达不到最佳效果的颗粒碰撞，而后部转角处又由于速度梯度过高而使聚集好的絮体被打碎的情况，将絮凝池第2段以后的拐角及隔板拐弯一端设计成圆弧形，如图1（略）所示。絮凝池模型长678.3mm、宽678.3mm，高113.3mm，是按几何比尺λl =λh =30，流速比尺λu =λ1/2l =5.5，时间比尺λt1 =λl /λu =5.5，流量比尺λq =λ5/2l =4930加工而成，反应池底坡i=0.394%，整个絮凝池由有机玻璃做成。絮凝池进水处设有示踪粒子投放系统及消能装置，并在消能装置前安装流量控制设备，絮凝池末端穿孔墙连接平流沉淀池，出水处设有阀门控制装置。整个设备放置在经测量仪水平校准的固定台架上，与整个水系统连接形成回路。

     

    3 涡漩流场的量测

     

    3.1 实验系统构成

     

    整个实验系统可分为两部分:往复隔板絮凝池流场模拟实验系统和PIV测速系统，如图2（略）所示。其中PIV测速系统是由激光器、光束扩展器、反射镜、CCD摄像机、多帧存（8MB）图像接口板、多媒体实时压缩存贮板、PIV计算机等硬件和一套图像处理流场数据分析及图形显示软件组成［2，3］ 。

     

    采用的光源为A-238型氩离子激光器，它是国际上氩离子激光器的第4代产品，由激光管、谐振腔和电源3部分组成，具有功率大、高稳定、高可靠等特点。实验中所使用的单线模式下的蓝光是根据荧光素钠（C20 H10 O5 Na2 ）的激发光谱确定的，波长为488nm，光斑直径为1.5mm，光束发射角为1.0mrad，最大输出功率可达1.5W。由于片光的能量相对集中，有利于感光，本实验采用直径为2mm的半圆柱透镜来扩展光束，形成片光源。半圆柱透镜的折射率约为1.5。按照实验工况情况，将光路方向设计为水平截面。由于半圆柱透镜在扩展光束的过程中没能均化光强分布，在粒子图像测速中需靠软件方式修正光强不均带来的影响。

     

    PIV测速硬件系统的建立为观测往复隔板絮凝池水流流场提供了可能和方法，该系统融入了现代光学、电子、计算机及信息处理等多学科应用技术，系统建立的好坏是实验流场观测的准确性和方便性的重要保证。

     

    在复杂流场量测过程中，由于流动显示平面上各点的反射特征不均匀，以及背景光的影响，有时会摄取信息模糊、像质不好的流场粒子图像，这样的流场图像进行信息提取会带来较大误差，影响图像利用率，解决这个问题的途径除硬件技术外，还可以通过改善像质的中值滤波、边缘增强、图像分割等软件进行处理。另外，粒子图像获取后需通过一定的算法提取流场速度信息，需一套流场信息提取软件，对流场信息进行插补和修正，获得整个流场流速分布。为此，本文采用研制的系统软件及方法，对流场粒子图像进行了分析和修正，整个系统软件使用C语言编制，系统操作在弹出式菜单提示下完成，测试结果可以通过计算机屏幕显示和打印。

     

    3.2 粒子图像测速技术的基本原理

     

    粒子图像测速技术应用于量测二维平面整个速度场上的速度矢量。它的基本原理是利用撒在流体中示踪粒子对流场的跟随性来测出粒子所在位置流场的运动速度。所以从本质上看，PIV技术测出的是流场中示踪粒子的速度。在同一或不同的记录平面上记录同一示踪粒子在不同时刻的位置的记录方式称之为间断式记录方式，所记录的粒子的位置称之为粒子像或是散斑像，由此而发展起来的测速方式为PIV法。也就是说在一个PIV系统中，我们利用撒在流体中的粒子对光的散射作用，把粒子在流场中的位置记录在图像存储媒体上，记录时，流体中众多粒子在不同时刻的像记录在不同的图像上。最后再采用物理测试和图像处理的方法求出粒子在一定时间间隔内的运动距离，由此可求得粒子所在位置处的速度。PIV原理的示意图如图3（略）所示。通过量测粒子图像的位移Δx、Δy，其位移必须足够小，使得Δx/Δt是速度U的很好的近似，也就是说，轨迹必须是接近直线且沿着轨迹的速度应该近似恒定。这些条件可由选择Δt来达到，是Δt小到受精度约束的拉格朗日速度场的泰勒微尺度可以比较的程度。

     

    由此可见，PIV方法具有LDV法非接触测量的优点，如瞬时“冻结”流场中多个粒子的这种位移，若知道两次记录的时间间隔，那么就可得到瞬间全场的速度信息。

     

    3.3 测量结果分析与讨论

     

    本文对流量为521.7L/h的不同形状往复隔板絮凝池水流拐角的速度分布进行了研究，从不同水深层面观测絮凝池水流拐弯处的涡漩流场，不同方案水流涡漩分布如图4所示，方案2絮凝池水流拐弯处有众多的涡漩，由于涡漩所固有的扩散性，无数大小不一的涡漩相互渗透，进行能量交换，使该处液体压强迅速降低，速度梯度则急剧增大，这对颗粒之间的碰撞极端有利。与传统往复隔板絮凝池拐弯处对比，水流经过圆弧界面绕流前后的压强差，即压强阻力（因与物体的形状有关，也称形状阻力）比摩擦阻力大得多，尤其是在絮凝池的后部，水流速度比较低，摩擦阻力可以忽略，由涡漩运动引起的扩散作用，基本消除方案1出现的“环流”，产生了更多大小相套的复杂涡漩，与池壁的多次碰撞促进了水流中微小涡漩的形成，与大尺度涡漩相比，小尺度涡漩半径越小，旋转半径也小，而离心作用越强，运动加快，速度梯度也增大，这样的边界条件使得水力状况大为改善。

     

    3.4 混凝沉淀效果的比较

     

    本文对进水流量为521.7L/h、原水浊度为81NTU、加矾量为15mg/L时不同方案往复隔板絮凝池各廊道的流速、水头损失以及水质浊度进行了检测，结果见表1。表1中分段号是指絮凝池的11条廊道，廊道流速Vi 是指廊道直线段的平均流速，拐弯流速Vit 是指絮凝池圆弧拐角处平均流速。水头损失是指分段号中廊道的平均损失，水质浊度是指每个廊道取水口（如图1略所示）上清液浊度。与方案1相比，方案2的速度梯度变化平缓、能量损失小、水质浊度低。由此可见，将往复隔板絮凝池拐弯及隔板断面设计成圆弧形的方案比传统往复隔板絮凝池的混凝沉淀效果要好。

     

    4 结语

     

    （1）运用粒子图像测速技术，一方面可以进行多点同步测量，获得速度随时间变化的平面和空间分布;另一方面这种量测是非接触式的，不干扰流场，因而提高了可靠性。从流场的粒子图像以及速度矢量图可以看出，圆弧边壁水流涡漩比较多，由于摩擦阻力降低了，所形成的涡漩更能充分利用能量，传递给更小的涡漩，这种低流速的运动便于节约能量、降低水头损失、缩短反应时间。

     

    （2）改进后的絮凝池流速分布合理，反应时间相应缩短，水流经过圆弧拐角时能量损失明显减少，速度梯度变化平缓，呈逐渐递减趋势。改进后的模型微小涡漩增多，由混凝理论可知，增加微涡漩可以做到高效混凝。具有圆弧形边壁形状的往复隔板絮凝池充分体现了水流紊动在混凝沉淀过程中的作用。

     

    （3）微小涡漩的随机卷动，易使得聚集颗粒以圆周形式运动接触结合，所形成的絮体更为密实而近似于球体般的光滑，在后续的沉淀分离过程中易于下沉。

     

    参考文献:

    ［1］ 詹咏，王惠民.往复隔板絮凝池边壁形状对絮凝反应的影响研究.给水排水，2001，27（1）.

    ［2］ 唐洪武.复杂水流模拟问题及图像测速技术的研究，见:河海大学博士论文.1996.

    ［3］ 吴龙华.粒子图像测速应用于大型工程水流模型的关键技术研究，见:河海大学硕士论文.2000.

     

    作者简介: 詹 咏，女，上海理工大学城市建设与环境工程学院，副教授，博士。

         

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