（环境科学专业论文）折板絮凝池水流对絮凝效果影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t b yr e s e a r c h i n gt h ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r ，i nt h i sp a p e r ，t h r o u g ht h et e s t so f c o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o n ，u s i n gt h et h em e c h a n i s ma n dd y n a m i co fc o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n ，u s i n ga d v a n c e dp i vt e c h n o l o g y , as e th y d r a u l i cf l o wp a t t e m so ft h e r e c i p r o c a t i n gb a f f l e do fs y s t e mf o rm e a s u r i n gt h ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o rc a nb e e s t a b l i s h e di nt h el a b t h ef l o wf i e l di nt h ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o ri sa n a l y z e d ， a n a l y s i si nt h et a n k t h et h e s i sa l s od o e sr e s e a r c ho nt h ec o a g u l a t i o ne f f i c i e n c yi n i t f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot h e t h em e c h a n i s ma n dd y n a m i co fc o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n ，t h em e c h a n i s ma n dd y n a m i co fd y n a m i c o f c o a g u l a t i o np r e c i p i t a t i o ni n t h ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o ri ss t u d i e d ，t h en u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e di nt h e f o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o ri ss t u d i e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h et e s t so fc o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nu n d e rt h es e v e r a l c o n d i t i o n s ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h em e c h a n i s mo ff l o c c u l a t i o nd y n a m i c s ，f l o wp a t t e r n h a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nf l o c c u l a t i o ne f f e c t t h em o d e lo ft h ef o l d e dp l a t e f l o c c u l a t o ri sd e s i g n e da n dt h ec o m b i n a t i o n so ft h ed i f f e r e n ta n g l ef o l d e dp l a t ea r e e x p e r i m e n t a ls t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o no f9 0 。o p p o s i t ef o l d e d p l a t ea tt h ef i r s tf l o c c u l a t i o ns e c t i o na n d9 0 。s a m ew a v ef o l d e dp l a t ea tt h es e c o n d s e c t i o ni sb e s to fa l lt h ef o l d e dp l a t e sf o rr a ww a t e rt u r b i d i t yr e m o v a l ，w h i c hh a sa g o o dr e f e r e n c et ot h ed e s i g n f o ra c t u a lf o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r f i n a l l y ，t h ep i vt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h ef l o wf i e l da n a l y s i si nt h ef o l d e d p l a t ef l o c c u l a t o r ，c o m p a r i n gt h ef l o wp a t t e mo f d i f f e r e n tf o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r ，t h e c o m b i n a t i o nf l o c c u l a t o ro f9 0 。o p p o s i t ef o l d e dp l a t ea n d9 0 。s a m ew a v ef o l d e dp l a t e c a l le n h a n c ef l o c c u l a t i o ne f f e c t i nt h et h e s i s ，t h et e s t so fc o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o na n dt h ea d v a n c e dp i va r e a p p l i e dt ot h ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r t h er e s u l t s s h o wt h a tf l o wp a t t e r nh a sa n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i m p o r t a n ti m p a c to nf l o c c u l a t i o ne f f e c t ，w h i c hh a sag o o dr e f e r e n c et ot h ed e s i g nf o r a c t u a lf o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r k e yw o r d s ：f o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r ；f l o w ；c o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 首次对折板絮凝池不同折板组合的絮凝效果进行了实验测试，得出了折 板絮凝池折板的最佳组合形式。 2 首次将p w 技术用于折板絮凝池水流状态的量测中，建立了研究不同 折板絮凝池断面形状絮凝池水流结构的测试系统，使用p w 测试技术对折板絮 凝池内部流场进行了量测，准确地获得了絮凝池内部流场的水流结构特征，分 析了水流特征对絮凝效果的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及工作意义 在自来水厂水处理构筑物中，折板絮凝池是混凝的主要设备之一，因其构 造紧凑、不用机械动力设备、维护和管理方便、效果有保证，是近年来在我国 得到广泛应用的有效、可行、适用范围较广的一种高效水力絮凝方式【l 】。但是， 由于折板絮凝工艺在国内应用仅2 0 年，设计及运行中还存在诸多问题【2 】，特别 是水流条件不够理想，从而影响了混凝效果。因此，要提高混凝效果，保持原 有混凝设备流程简单实用的优点，就需要在混凝反应器结构构造方面进行深入 地研究探讨，深入研究混凝动力学理论和模型，探讨絮凝反应器的水力条件， 以及絮凝与紊流动力学过程及其相互关系，使之能够创造适合于微絮体颗粒增 长的微涡流并能使之从大到小逐渐衰减的有序的水流速度梯度的反应结构【3 】【4 1 。 这就需要采用先进的测试仪器和合理的实验手段，对折板絮凝池中复杂的水流 流场，尤其是水流拐弯角的水流状况，进行实验研究与理论分析。 目前，国内外在水处理构筑物水流状态对水质处理效果影响的研究方面还 处于尝试阶段。因此，开展折板絮凝池混凝效果的研究，特别是运用现代测试 手段( p i v 测试技术) 进行水力条件对混凝效果的研究，搞清折板混凝的机理， 从而搞清折板絮凝池水流在混凝过程中对混凝效果的影响规律，对折板絮凝池 的设计具有指导意义。对我国混凝技术的发展，以及我国给水处理技术的发展， 将是非常必要的，具有十分重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究进展概况 1 2 1 折板絮凝池的研究进展 在给水净水厂的水质净化过程中，混凝反应是一个十分重要的环节，它的 完善程度对净水的后续处理影响很大。混凝是一个复杂的物理化学过程，可简 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 单分为混合和絮凝两个阶段。在混合阶段，通过快速混合设备使无机盐混凝剂 能迅速而均匀地扩散于水中，以创造良好的水解和聚合条件；同时，胶体脱稳 随即完成并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚，形成小的絮凝体。而在絮 凝阶段，水在水力或机械搅拌下产生流体运动，造成水中颗粒碰撞从而形成具 有良好沉淀性能的大的密实絮凝体。絮凝池是进行混凝反应的主要设备。 絮凝池形式较多，一般可分为两大类：水力搅拌式和机械搅拌式。水力搅拌 式有隔板絮凝池、折板絮凝池、穿孔旋流絮凝池、网格絮凝池等。如何提高絮 凝过程的效率，缩短絮凝时间，以减小絮凝池的容积，是絮凝池设计的一个重 要课题。竖流折板絮凝工艺就是近年来在我国得到广泛应用的有效、可行、适 用范围较广的一种高效能水力絮凝方式。 1 2 1 1 折板絮凝机理 折板絮凝池是在隔板絮凝池基础上发展起来的，通常都采用竖流式。它是将 竖流隔板絮凝池的平板隔板改成具有一定角度的折板。其基本工作原理是 1 】【5 7 】：通过在絮凝池内设置一定数量的折板，加入絮凝剂并经充分混合的水流进入 上下翻腾的夹间通道，通过折板间形成的缩放或拐弯造成边界层分离现象，并 产生附壁紊流耗能，在絮凝池内沿程输入微量而足够的能量，增加水流内部颗 粒的相对运动、相互碰撞，有效地提高输入能量的利用率和容积使用率，以缩 短絮凝时间，提高絮凝体的沉降性能，从而达到絮凝的效果。 1 2 1 2 折板絮凝池分类及设计参数 折板絮凝按折板组合形式，可分为同波折板和异波折板两种类型。折板可以 波峰对波谷平行安装，称同波折板絮凝。折板波峰相对安装，称异波折板絮凝。 凰一 图1 - 1 折板絮凝池剖面示意 ( 1 ) 同波折板；( 2 ) 异波折板 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 折板絮凝池折板间距根据水流速度由大到小而改变，折板之间的流速常分段 数一般不少于3 段。各段流速可分别为： 第一段：o 2 5 o 3 5 r n s ； 第二段：o 1 5 o 2 5 r n s ； 第三段：0 1 5 - - 0 1 5 m s ； 折板夹角一般9 0 。1 2 0 0 ，絮凝时间6 1 5 m i n ，平均g 值3 0 - 5 0 s ，g t 值大 于2 1 0 4 。 1 2 1 3 竖流折板絮凝的工艺特点 折板絮凝池有如下几个工艺特剧1 】： ( 1 ) 有较好的絮凝效果。由于絮凝池中的折板构造，从而保证了水中颗粒 的碰撞频率；另外，为了防止絮凝体在水流振荡运动中被剪坏，全过程流速沿 程递减，分段控制低流速，使絮凝粒度逐渐增大而沉速增加。 ( 2 ) 较小的能耗。由于流速低，相应的水头损失就小，其中大部分能量消 耗在颗粒的碰撞上，能量利用比较合理，以较小的能耗，取得了较好的絮凝效 果。 ( 3 ) 结构紧读，池体面积小。由于絮凝效率高、絮凝时间短，因此池体所 占容积较小，池身可深可浅，能适应沉淀池设计尺寸要求。 ( 4 ) 适应水量的变化幅度较大。 ( 5 ) 不用机械动力设备，维护管理十分方便。 ( 6 ) 折板可用预制的钢丝网水泥板或聚乙烯板，简化了施工。 1 2 1 4 折板絮凝池的发展历程 折板絮凝池是近2 0 年来发展起来的一种水力絮凝池形式。2 0 世纪7 0 年代 初期，国内外高效絮凝技术及装置的试验研究发展较快。到7 0 年代中期，华东 地区开始大量推广人字折板竖流絮凝装置。1 9 7 8 年，江苏省六合县水厂建成了 国内第一座折板絮凝池( 设计规模5 0 0 0 m 3 d ) 。1 9 8 1 年，镇江市金山水厂将2 座 规模为1 2 5 万m 3 d 脉冲澄清池改造为2 5 万m 3 d 的竖流折板絮凝一斜管沉 淀池开始将折板絮凝工艺应用于中型水厂。1 9 8 2 年北京进行竖流波形( 纹) 板高 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 效絮凝器试验，反应时间4 8 m i n ，效果尚佳。1 9 8 3 年，国家城建总局鉴定的高 效能混合絮凝研究课题，也将折板絮凝工艺列为高效絮凝工艺的一种形式。1 9 8 8 年，作为大型水厂的南京市上元f - j t g 厂将2 j f j 沉淀池原隔板絮凝工艺，改造为竖 流折板絮凝工艺，设计规模6 万m 3 d 运行效果良好，为当时国内单池设计规模 最大的竖流折板絮凝池，提高了供水水质，增加了单池产水量。目前，竖流折 板絮凝工艺已成为国内给水厂常用的絮凝工艺形式【8 】。 然而，由于折板絮凝工艺在国内应用仅2 0 年，设计及运行中还存在诸多问 题有待进一步研刭9 1 。 ( 1 ) 折板絮凝池设计参数范围过大，且缺少必要的科学依据。 当前折板絮凝池设计普遍存在的现象是：在设计手册规定范围内，设计参数 的选取范围过大。对折板絮凝池参数的精确选取缺少必要的、科学的、合理的 依据。 表1 - 2 折板絮凝池参数的选取 参数絮凝时间r a i n 流速m s 。1 夹角a o 第一段第二段第= 殷 变化范围 6 1 5o 2 5 o 3 50 1 5 - - 0 2 5o 1 0 1 59 0 - - , 1 2 0 ( 2 ) 设计值或计算值往往与实际差异较大。 设计手册中，折板絮凝池的设计主要控制参数是水流速度、水头损失( 或g 值) 和絮凝时间，但建成后往往发现实际运行参数与设计值相差甚远。以水头损 失的计算为例，设计手册中，其计算采用的是明渠渐扩和渐缩公式，有人通过 研究发现，竖流折板絮凝池水头损失实测值与设计计算值相差较大，实测值明显 小于设计计算值。 表1 3 折板絮凝水头损失计算值与实测值口 水厂名称计算值m m实测值m m 相差率 镇江某厂1 3 1 3 6 2 4 5 8 2 5 9 镇江某厂22 1 9 51 2 2 54 4 2 南京某厂3 7 2 43 1 3 61 5 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 对絮凝水力条件的改善重视程度不够。 改革开放以来，全国大部分地表水源受污染，水体中藻类等有机物含量明显 增多，常规混凝处理效果并不理想。对因池体自身结构缺陷等因素造成的混凝 动力不足、水力条件不当等问题往往不够重视。 1 2 1 5 折板絮凝池研究现状 目前，关于对折板絮凝池的研究主要围绕折板絮凝池存在问题展开，就折 板絮凝池的结构、机理、絮凝控制指标等方面进行了研究，目前，已取得了一 定的成果。 孙友勋，谭章荣，范瑾初等 8 】针对异波折板絮凝池水头损失计算值与实测 值误差较大的问题，通过理论分析及模型试验，探寻了异波折板絮凝单元水头 损失的半经验半理论计算公式。 汪广丰【9 】针对竖流折板絮凝工艺设计的部分问题，如单池设计流量与折板 间距的关系、絮凝时间、g 值和g t 值、折板絮凝的组合方式、折板设计参数 以及阻力系数芒的选取等进行了分析。 李实，王旭宁等【1 0 】对竖流式多孔道异波析板架凝池的设计特点进行了分析 和归纳。 谭章荣，秦祖群，孙友勋等 1 1 】对异波折板絮凝池传统的絮凝控制指标g 值在理论和应用上的缺陷进行了分析，并提出单位造涡强度这一宏观控制指标。 杨开明，杨小林，谷晋川掣1 2 】综述了折板絮凝池的发展历程，并探讨了絮 凝机理和存在的问题，提出了采用p w 技术进行试验研究。 孙友勋，时钧，范瑾初【l3 】等在模型试验的基础上考察了异波折板絮凝池的 絮凝机理并进行了絮凝动力学的分析。 絮凝效果的好坏受多因素的影响，其中受絮凝水力条件较大，而水力条件 主要由絮凝池池型结构决定。然而，当前絮凝的研究中，对因池体自身结构 缺陷等因素造成的混凝动力不足、水力条件不当等问题不够重视，更不见有将 p i v 技术应用到折板絮凝池水流对混凝沉淀效果影响的研究方面的报道。 1 2 2 混凝动力学研究综述 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 有关混凝的基础理论在国内外研究的比较多，时间也比较长。为了定量地 研究混凝动力的本质，国内外很多学者经过长期的研究，根据不同的条件，从 不同的角度先后提出了若干混凝动力学模型。1 9 1 6 1 9 1 8 年斯莫卢霍夫斯基( m v o ns m o l o u n c h o w s k i ) 首先提出了速度梯度理论，其基本原理是在层流条件下由 于水中颗粒随水流运动，因速度差而产生的速度梯度是颗粒碰撞的主要原因， 颗粒碰撞的次数不仅与单位体积内颗粒数目及颗粒直径大小有关，而且还与速 度梯度成正比。1 9 4 3 年甘布( t r c a m p ) s 1 1 斯坦n ( p c s t e i n ) 两位工程学者把速度 梯度理论直接应用于给水絮凝池的设计上，提出速度梯度表达式。由于他们的 公式是在层流条件下导出的，为克服这个缺点，1 9 6 2 年列维奇( l e v i c h ) 在紊流条 件下，根据科尔莫格罗夫( k o l m o g o r o f f ) 的局部各向同性理论，在紊流空间场中 选一球型控制体，利用扩散方程计算通过球型控制面单位面积进入颗粒的时平 均总数。此公式虽在紊流条件下导出，但用的是宏观流动计算方法，而真正决 定水中微小颗粒接触碰撞的是湍流的亚微观结构，即决定于湍流中的微涡漩， 因此仍未真正揭示水中的微小颗粒碰撞的动力学本质，这使该公式的应用受到 局限。下面，就近年来水处理专家们对絮凝动力学方面的探讨做一个简单介绍 和总结。 王绍文 1 4 】首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对混凝的动力学问题进行 了研究，提出了惯性效应是絮凝的动力学致因，提出了湍流剪切力是絮凝反应 中决定性的动力学因素，并建立了絮凝的动力相似准则。 武道吉、谭凤i j i l 等【1 5 】从紊流结构分析混合动力学机理，提出主流区的涡流 扩散对混合时间起主导作用，导出了混合综合控制指标，并通过试验对比，进 一步证实了指标的实用性。 刘世美、刘金生等【l6 j 阐述了涡漩运动的组成与结构，并就涡漩运动在水的 混凝中的作用以及在实践中的应用进行了探讨。 赫俊国等 1 7 依据低温低浊水的特点，对其处理过程中的亚微观传质及絮凝 过程中的动力特性进行了分析，并通过试验结果阐明了该技术的可应用性和实 用性以及低耗高效的特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 王乃忠 1 8 】对絮凝反应过程中稳态絮粒粒径以及紊流徽尺度与有效能耗的关 系进行了分析，并在间隙式搅拌与连续流搅拌的情况下分别推导出相应的絮凝 效率表达式。 孙友勋，时钧，范瑾初【13 】等在模型试验的基础上考察了异波折板絮凝池的 絮凝机理并进行了絮凝动力学的分析。 1 2 3 流动测量技术发展历程及现状 流动是一种跨行业、跨部门、跨学科的现象。流体力学、现代空气动力学、 热力学、水力学以及航空航天工程、水利水电工程、流体机械工程都提出了一 系列复杂流动问题，其中包括高速流、低速流、管道流、燃烧流、冲击流、振 荡流、涡流、湍流、旋转流、多相流等等。这些流动都需要人们提供新的测量 方法和新的量测仪器，使之能够适应单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、 单相向多相方向发展。这就促使人们不断利用新技术，发展新原理，采用新结 构和新工艺，以改善仪器性能，增强讯号处理能力，提高仪器的测量精度，同 时简化操作技术，使之便于推广应用。近2 0 年来，伴随着光纤技术、芯片技术、 激光技术、数字信号处理技术，图形、图像处理技术以及计算机技术的日益成 熟和完善，流速测量技术也随之得到了新的发展【1 9 】。 作为流速测量的代表性仪器，有早期的毕托管，后来的热线热膜风速计， 激光流速计以及近期出现的。这三种仪器代表了三种不同的测速原理，反映了 科学技术发展的不问侧面。毕托管是建立在一绽管道流理论基础上的，是通道 测量压力来测量流速的，它反映了机械力学发展时期的技术状况。热线热膜流 速计( h w f a ) 是建立在热交换原理基础上的，它反映了热力学理论和电子技术的 发展状况。激光流速计( l d v ) 则是建立在激光多普勒频移原理基础上的，是通过 测量频率来测量流动速度的，它反映了新技术迅猛发展的时代特点。毕托管和 热线热膜风速计属于接触式测量工具，在测量的同时又会干扰和破坏流场，而 激光流速计则为非接触式测量工具，它本身不会干扰破坏流场因而特别适用于 窄小流场、易交流场和有害流场的测量。 1 2 3 1 热线热膜风速计 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 热线热膜风速计( h w f a ) ，是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝 ( 直径l 岬1 0 1 堋) 来测量风速的仪器。由于金属丝中通过了加热电流，因而当 风速变化时，金属丝的温度就随之而变，从而产生了电讯号。因为电讯号和风 速之间具有一一对应的关系，因此测出这个电讯号就等于测出了风速。 热平衡线风速计建立的基础为热平衡原理，即：任何时候金属丝中由温度 升高所产生的热量应该等于风速上升所耗散掉的热量，反之任何时候金属丝中 由温度降低所损失的热量应该等于风速降低所积累的热量。 1 9 0 2 年，希开沛( s h a k e p e a r ) 在伯明翰完成了热线风速计的原理性实验。1 9 0 9 年，肯尼尔黑( k e n n e l h y ) 等人及累包钦斯基( r i a b o m h i n s k y ) 先后提出了电子风速 计概念。1 9 1 4 年，克英( k i n g ) 提出了无限长线和流体之间的热对流理论，给出了 圆柱体的热对流方程和方程的解，导出了热对流耗散和流动速度之间的关系， 推出了k i n g 公式，即 h = ( 彳+ 召【，) ( 丁s r o ) 其中，h 表示对流热耗散；a 、b 为常数；u 为流动速度；t s 为热线或热 膜的工作温度；t 0 为环境温度。 k i n g 公式奠定了热线风速计的理论基础。 根据热平衡原理，热产生应该等于热耗散，因而有： 厶2 r s = ( 彳+ b 4 u ) ( r s 一7 0 ) 其中i s 为加热电流，r s 为工作电阻。 此热平衡过程涉及到流动速度、加热电流、线温度( 或线阻) 三个基本量，它 们之间具有一定的内在联系。当加热电流保持恒定时，线温( 或线阻) 和风速之间 建立了确定的函数关系，利用这个关系测量风速的方法称之为恒流法，根据这 种原理构成的仪器称之为恒流式热线风速汁。当线温( 或线阻) 保持恒定时，线电 流和风速之间建立了确定的函数关系，利用这个关系测量风速的方法称之为恒 温法，根据这种原理构成的仪器称之为恒温式热线风速计。 大体上说，2 0 世纪5 0 年代以前的风速计大部分都是恒流式风速计，之后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 随着电子技术的进步，恒温风速计反应快、时间常数小的优点得到了发挥，因 而几乎垄断了整个风速计市场，我们称之为第二代热线热膜风速计。这种风速 计其物理模型是f r e y m u t h 纯电阻模型；其动态方程是三阶的非齐次方程；具有 3 个以上的调节参量，一且调节过程中相互影响：系统很不稳定，需要做方波试 验，调节麻烦，使用不便；频带也较窄，不宜于在高频流动中使用。 1 9 9 2 年以北京大学力学系盛森芝教授为首的研究小组，提出了预移相型的 h w f a 原理，并且制成了i f v - 9 0 0 型智能流速测量系统。 除上而外，探针型式也有新的发展，特别是涡量探针的发明，使得热线风 速计的应用有了新的扩展。 1 2 3 2 激光多普勒测速计 激光多普勒测速计( l a s e rd o o p e rv e l o c i m e t e r - - 简称l d v ) 是利用激光多普 勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。出于它大多用在流动测量方面， 因此国外习惯称它为激光多普勒风速计( l a s e rd o o p e r a n e u o m e t e r 一简称l d a ) 。 激光流速计利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息。由于流体 分子的散射光很弱，为了得到足够的光强，必须在流体中散播适当尺寸和浓度 的微粒作为示踪粒子。激光流速计通常由激光器、入射光学单元、接收光学单 元、多普勒信号处理器、数据处理系统五部分组成。 激光测速的主要优点在于非接触测量、线性特性、较高的空问分辨率和快 速动态响应。采用近代光电子学和微处理机技术的l d v 系统，可以比较容易 地实现二维、三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。当然， 它也有局限性，例如，测量区必须是光线可及的，而且要存在适当的散射微粒， 在信号处理方面，虽然多普勒频移的线性公式是简单的，但是实际上，由于有 限测量体积的存在、各种频率加宽、偏置和噪音等来源都会影响最终的测量精 度。 1 2 3 3 相位多普勒技术 相位多普勒技术( p d p a 或p d a ) ，发明于1 9 7 5 年，它的市场产品诞生于2 0 世纪8 0 年代末。所谓相位多普勒技术是利用随流体而运动的粒子同时测量流体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 速度和粒子粒径的泛称，是一种两相流测量仪器。在欧洲习惯上叫p d a ，即相 位多普勒风速计的简称，在美国和其他一些国家习惯于叫p d p a ，即相位多普勒 粒子分析仪的简称。 相位多普勒粒子风速计的测速原理与l d a 或l d v 相同，就是利用测得的 信号频率来测量速度，其粒径测量原理则是利用测量信号的相位来测量粒径， 其基本原理是利用光线通过球形透明粒子所产生的光散射信号。 1 2 3 4 粒子成像速度场仪 粒子成像速度场仪( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简称p i v ) ，本质上是流场 显示技术的新发展。传统流动显示是实验流体力学的一个重要组成部分，它的 主要任务是把流动的某些性质加以直观表示，以便对流动获得全面发展的认识， 因而成了实验流体力学中一个长盛不衰的课题。它可以为流动结构提供全局性 的发展的定性认识，但很难提供详细的定量结果。利用一些典型流动来估计流 动图案，有时候可以获得很好的效果，但精度比单点测量的l d v ( 0 1 ) 低一个 数量级，仅为1 左右，分辨率比l d v ( 1m m 左右) 小了一个数量级，仅为1 0 m i l l 左右。这就是说，精度高、分辨率好的单点测量技术难以获得流场的整体结构 和瞬态图像，而能获得整体结构和瞬态图像的流动显示又很难获得精确的定量 让田 多日木o p i v 技术就是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术发展起来的 一种新的流动测量技术。它综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服 了两种测量技术的弱点而形成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又 能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。目前它的分辨率已经达到了( m m ) 级，清晰度也很高，速度测量范围也很宽1 9 2 5 1 。 1 2 3 4 1p i v 技术发展及技术基础 p i v 的发明和发展经历了以下几件大事【2 6 】： ( 1 ) 1 9 8 3 年，布鲁塞尔冯卡门研究所的r m e y n a r t 首次论证了现代p 的可 行性； ( 2 ) 1 9 9 2 年，n d ：y a g 激光源的产生( 2 个谐振器，双倍频率，可见光中波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 长= 5 3 2n m ) ，a d r i a n 利用这一激光源首次试验了互相关p i v ； ( 3 ) 1 9 9 4 年，g r a n t 发明了模糊切除技术粒子图像漂移技术，使气体中 使用自相关模式p i v 成为可能； ( 4 ) 1 9 9 5 年，解决了流动中跟踪粒子的产生和分布问题，使p i v 的实际应 用成为现实； ( 5 ) 1 9 9 6 年，计算机硬件的发展，制成了1 6 m b 内存、3 2 位的计算机，使 p i v 的数据处理有了现实保证； ( 6 ) 1 9 9 6 年，高斯峰值探测器以及新型c c d 的发明和利用，使高分辨率p i v 得以实现： ( 7 ) 1 9 9 5 年1 9 9 7 年，互相关视频摄像机的发展，使单幅画面上储存跟踪 粒子的图像成为可能，从而彻底解决了模糊的拆除问题； ( 8 ) 1 9 9 9 年，h a r t 算法的利用，使高分辨率、高处理速度的新型p i v 和立体 p i v 得以成为实用产品。 上述8 件大事是p i v 发展过程中的重大事件，也是p i v 技术发展到今天这 个水平的技术基础。如果说1 9 9 4 年出产的自相关模式p i v 是第一代p i v ，那么 1 9 9 6 年出产的互相关模式p i v 就应该算是第二代p i v ，而1 9 9 9 年出产的高分辨 率、高处理速度的立体p i v 就应该算是第三代p i v 。 总之，p i v 技术从原理发展到成为一种实用的技术，首先要归功于a d r i a n 和m e r z k i r c h 所做的贡献。迄今为止，在二维全场测速技术中，p i v 是最成熟的 一种新技术，已迅速变为测速的标准方法【2 7 渤】，产品也已走向市场( 美国的t s i 公司和a e r o m e t r i c s 公司、德国的l a v i s i o n 公司以及丹麦的d a n t e c 公司等均有 成套产品推出) 。 1 2 2 4 2p i v 技术的分类 ( 1 ) 按其成像介质 p i v 按其成像介质可分为基于模拟介质的g p i v ( g r a p h i cp a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) 和基于c c d 的d p i v ( d i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 。g p i v 是用 照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上，然后用光学方法或扫描仪 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 形成数字图像，实现自相关模板匹配运动估值其优点是模拟介质分辨率高( 如普 通1 3 5 底片包含有1 0 5 0 0 7 5 0 0 个像素，这样一张1 0 0m m x l 2 5m m 的肖像底片 将会有3 0 0 0 0 3 7 5 0 0 个像素，普通摄像管所能提供的分辨率约为5 0 0 5 0 0 个像 素，较高分辨率的摄像管也不过做到4 0 9 6 x 4 0 9 6 个像素) ，可以观测较大的视场， 且精度高，图像捕获速度快，可以测量高速流场。但是，由于其成像后的处理 时间长，因而无法实现在线应用，成为其不可克服的缺陷。同时由于g p i v 一 般将2 次或多次曝光成像在同一底片上( 单帧多曝光图像) ，在图像分析上有速度 矢量方向二义性问题，虽已有解决方法，但处理较复杂。d p i v 系统实际上是 p i v 系统的数字化形式，它强调用数字方法来记录视频图像而不是摄影胶片， d p i v 所有的分析都用计算机来进行，代替了g p i v 的复杂的光学系统，不需再 做胶片的湿处理，同时d p w 将2 次或多次曝光的粒子由c c d c a m e r a 经数字 图像采集设备采得该截面的序列图像( 单帧单曝光图像而非g p i v 的单帧多曝光 图像) ，自然解决了速度方向的二义性问题。d p i v 的决定性优点在于便于数字 处理，能提供实验参数的在线调整，使得它成为p w 的重要发展方向。 ( 2 ) 按粒子密度分 p i v 源于固体应变位移测量的散斑技术，首先将这一技术从原理及方法上 引入流场测速中当首推a d r a i n ，他将p i v 技术按照示踪粒子的浓度分为激光散 斑测速技术( 1 a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ，l s ，粒子图像测速仪( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ，p i v ) 以及粒子跟踪测速仪( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i m e t r y ，p t v ) = 类。 当流场中粒子浓度极低时，我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动，从记录的 粒子图像中测得单个粒子的位移，这种低粒子图像密度模式的测速方法即为 p t v 技术；当流场中粒子浓度很高时，以至于用相干光照明时，粒子衍射图像 在成像系统像面上互相干涉形成激光散斑图案( 散斑己经掩盖了真实的粒子图 像) ，这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为l s v 技术；p w 技术是指选择 粒子浓度使其成为较高成像密度模式，但并未在成像系统像面上形成散斑图案， 而仍然是真实的粒子图像( 或单个的粒子衍射图像) ，此时这些粒子已无法单独识 别，底片判读只能获得一判读小区域( i n t e r r o g a t i o na r e a ) q b 多个粒子位移的统计平 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 均值。目前，l s v 技术已很少采用，这是因为高粒子浓度对流场干扰较大，而 测量精度、实验设备均与p i v 技术基本相同。p t v 技术从本质上讲是p i v 技术 的延伸，由于粒子稀疏，使得可提取的流场速度信息较少，限制了对流场细微 结构的研究。此外p t v 取得原始速度向量点的位置是随机分布的( p i v 被认为是 按网格状分布的) ，需要内插建立网格表示图但是p t v 算法似乎比p i v 算法更 容易从二维推广至三维。 1 2 2 4 5 二维平面p i v 技术的应用综述 在近十年的发展中，二维平面粒子图象测速技术在各个领域的应用成果越 来越多，已成为各种复杂流场测试的基本手段之一。它的适用范围十分广泛， 主要有以下方面的应用成果 3 0 】【3 1 】： a 、内流的研究。对于这种流动，过去人们一直采用热线热膜风速计( h w f a ) 或激光测速( l d v ) ，通过单点测试旋转叶片通道内的时间序列信号，再进行总 体平均来实现。这样，需要耗费大量的时间，而1 9 9 7 年m pw e m e t 采用p w 以及特殊设计的光路系统成功地对轴流压气机叶片通道内的跨音速流场进行了 测试。平均速度场是通过在叶片的固定位置采样1 l o 个瞬时速度场总体平均获 得的，采样时间均为6 分钟，所测结果与l d v 大体相等，但所需时间仅为l d v 的百分之一左右。 b 、风洞等大型设备中各种模型状态下复杂流动的研究。1 9 9 9 年4 月，北 京大学特赛流动测试技术中心对直流吸气式风洞进行了改造，生成二维自由剪 切混合层，采用p w 技术对其流场结构进行了研究，测试是沿着混合层的流向 方向，隔板后缘形成的混合层处开始直至流向涡破裂的位置进行的。激光源的 能量为1 2m j ，脉冲间隔为1 5i t s ，采样时间为6 6 im s ，每个位置分别采样8 0 幅。最后取得了清晰的涡图，并将部分图象处理后得到了相对速度矢量场，流 线及涡量场。同年6 月，北大联合中国空气动力研究与发展中心，对双三角翼 剖面处流场进行了研究，也取得了比较满意的瞬态图片及流场测试分析结果。 c 、漩涡的研究。目前利用p i v 技术对漩涡破裂的研究以流向涡的破裂为 主。1 9 9 3 年j t o w f i g h i 和d r o c k w e l l ，以及1 9 9 5 年j c l i n 和d r o c k w e l l 进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的关于三角翼上漩涡破裂现象的研究。1 9 9 2 年c b r u c k e ：和w a l t h a w s 和1 9 9 3 年c b r u c k e r 进行的流向涡发生器中漩涡泡型破裂的p i v 研究，发现了一系列重 要现象，比如传统流场显示中的结果旋染色线并不是旋型破裂中涡核的位置等。 但总的来说利用p i v 研究漩涡破裂问题还仅仅是开了一个头，有待于学者进行 更深人的研究。另外，利用p i v 技术研究圆柱绕流问题也是学术界新兴起的重 要课题主要的研究成果有：1 9 9 4 年a k r o t h a p a l l i 等人进行的关于0 3 m 。 o 6 范 围内圆柱尾迹的研究；1 9 9 5 年c b r u c k e r 关于短圆柱的三维湍流启动过程的研 究；1 9 9 6 年c k c h y u 和d r o c k e r 进行的关于振荡圆柱剪切层涡控制。以及圆 往近尾流流向涡的研究等1 9 9 3 年北大和北航流体所合作，利用试验段截面积为 4 0c mx 4 0c m ，长7 m ，来流湍流度为0 6 的水槽，进行了斜圆柱绕流的p i v 测 试，也取得了较好的流场结果。 d 、动态水流的研究。1 9 9 7 年北大与无锡小天鹅洗衣机厂合作，利用p i v 技术对洗衣机的流场进行了测试。同年又与锦西化工机械厂合作，用三维l d v 对该厂的搅拌器进行了测试。由于搅拌器是圆柱型的三维旋转流场，测试十分 困难，所花费的时间很长，所取得的结果也不太理想。1 9 9 8 年用p i v 技术对其 流场重新进行测试，取得了非常满意的效果。此外，用p i v 技术在淹没射流、 三角形喷嘴、吸水井以及管道流等流态的测试中都有广泛的应用，并且取得的 结果也较为满意。 e 、用p i v 技术对高速射流的研究也取得了意想不到的效果。例如，在对喷 嘴出口速度为3 2 5 个马赫数，7 5 p s i 时的不完全膨胀射流的测试研究中，配合 模糊技术的使用，得到了较好的流场图。同时，对声速射流的研究中也取得了 满意的结果。 f 、给水处理的研究。河海大学的詹咏等对隔板絮凝池的水流结构进行了研 究，提出了将絮凝池廊道拐弯角设计成圆弧形的改进方案，并采用粒子图象测 速技术，对不同方案絮凝池中水流涡漩运动进行了研究。河海大学的吴龙华， 唐洪武，严忠民等利用数字粒了图像测速( d p i v ) 技术对往复隔板絮凝池中的复 杂流场进行测量，分析了池内水流特性对絮凝效果的影响机制，得出了絮凝池 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 郎道头部流场对絮凝效果有很大影响，提出了增大池内有效空间改善絮凝池的 流场的方法。 通过以上综述表明，p i v 技术确实已成为瞬态及狭窄流场测试的强有力工 具，是现代化实验流体力学一个重大成就。它集中体现了现代高科技手段的特 点，并且集激光技术、数字信号处理技术、图象图形处理技术、计算机技术、 现代光学元件技术、微电子元件技术为一体，成为当代光机电一体化的典型设 备，为研究涡漩等复杂瞬态流动提供了一种强有力的测试手段。 1 3 研究内容 本文拟以折板絮凝池为研究对象，从当前池体自身结构缺陷等因素造成的 混凝动力不足、水力条件不当问题出发，通过理论分析、实验测试，运用粒子 图象测速技术，对絮凝池中水流结构进行测试，以探讨折板絮凝池中水流对絮 凝效果影响分析。论文将围绕以下方面展开研究工作： 1 、对折板絮凝池在絮凝过程中的作用机理及动力学理论进行分析。 2 、设计折板絮凝池实验模型，通过絮凝实验，对折板絮凝池不同折板组合 的絮凝效果进行实验测试，并根据絮凝反应的动力学机理分析水流状态对絮凝 效果的影响。 3 、建立折板絮凝池絮凝过程的p i v 测试系统，采用p i v 技术对池中流道内 部流动进行研究，测试絮凝池流道内部水流状态，直接了解水流涡漩对絮凝效 果的影响规律。 1 4 技术路线 本文技术路线见图1 4 。 西南交通大学