涡旋混凝给水处理技术分析

1、涡旋混凝给水处理技术分析“涡旋混凝给水处理技术”是根据多相流动物系反应控制惯性效应 理论，结合给水工程实践， 经近十年的研究而发明的。该技术涉及了 给水处理中混合、絮凝反应、沉淀三大主要工艺。 理论上，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 进行了深入了研究，提出了“惯性效应”是絮凝的动力学致因，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；首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物 理过程，而亚微观扩散的动力学致因是惯性效应， 特别是湍流微涡旋 的离心惯性效应。 由于新理论克服了现有传统给水处理技术理论上的 缺陷和实践上的不足，因而导致

2、了在给水处理技术上的重大突破。 实践中，发明了列管式混合器、翼片隔板反应设备、接触絮凝斜板沉 淀设备等。目前这项新技术已在全国近 50 多家水厂成功地推广使用， 取得了明显的经济效益和社会效益。 工程实践证明： 此项技术用于新 建水厂，工艺部分基建投资可节约 2030%用于旧水厂技术改造， 可使处理水量增加75%- 100%而其改造投资仅为与净增水量同等规 模新建水厂投资的 30% 50%。采用此项技术可使沉淀池出水浊度低 于 3 度，滤后水接近 0 度，可节省滤池反冲洗水量 50%，节省药剂投 ， 大大降低了运行费用和制水成本。 30%加量 这项技术适应广泛， 不仅对低温低浊、汛期高浊水处理

3、效果好， 同时， 对微污染原水具有较好的处理效果。 可利用最小投资， 取得最大效益， 充分发挥现有供水设施的潜力，在短时间内缓解城市供水短缺状况， 促进城市的经济发展。二、“涡旋混凝给水处理技术”的工作机理(一) 混合 混合是反应第一关， 也是非常重要的一关， 在这个过程中应使混凝剂 水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部， 使所有胶体颗粒几乎在 同一瞬间脱稳并凝聚， 这样才能得到好的絮凝效果。 因为在混合过程 中同时产生胶体颗粒脱稳与凝聚， 可以把这个过程称为初级混凝过程， 但这个过程的主要作用是混合，因此都称为混合过程。混合问题的实质是混凝剂水解产物在水中的扩散问题， 使水中胶体颗 粒同时

4、脱稳产生凝聚， 是取得好的絮凝效果的先决条件， 也是节省投 药量的关键。传统的机械搅拌混合与孔室混合效果较差。近几年，国 内外采用管式静态混合器使混合效果有了比较明显地提高， 但由于人 们对于多相物系反应中亚微观传质以及湍流微结构在胶体颗粒初始 凝聚时的作用认识不清， 故也妨碍了混凝效果的进一步提高。 混凝剂 水解产物在混合设备中的扩散应分为两类： (1) 宏观扩散，即使混凝 剂水解产物扩散到水体各个宏观部位， 其扩散系数很大， 这部分扩散 (2) 因而宏观扩散可以短时间内完成； 是由大涡旋的动力作用导致的， 亚微观扩散， 即浊凝剂水解产物在极邻近部位的扩散， 这部分扩散系 数比宏观扩散小几个

5、数量级。 亚微观扩散的实质是层流扩散。 因此使 混凝剂水解产物扩散到水体第一个细部是很困难的。 在水处理反应中 亚微观扩散是起决定性作用的动力学因素。例如高浊水的处理中， 混凝剂水解产物的亚微观扩散成为控制处理效 果的决定性因素。 由于混凝剂的水解产物向极邻近部扩散的速度非常 慢，在高浊度期水中胶体颗粒数量非常多， 因此没等混凝剂水解产物 在极邻近部位扩散， 就被更靠近它的胶体颗粒接触与捕捉。 这样就形 成高浊时期有些地方混凝剂水解产物局部集中， 而有些地方还根本没 有。混凝剂局部集中的地方矾花迅速长大，形成松散的矾花颗粒，遇 到强的剪切力吸附桥则被剪断， 出现了局部过反应现象。 药剂没扩散

6、到的地方胶体颗粒尚未脱稳， 这部分絮凝反应势必不完善。 这一方面 是因为它们跟不上已脱稳胶体颗粒的反应速度， 另一方面是因为混凝 剂集中区域矾花迅速不合理长大， 也使未脱稳的胶体颗粒失去了反应 碰撞条件。 这样就导致了高浊时期污泥沉淀性能很差， 水厂出水水质 不能保证。 按传统工艺建造的水厂， 在特大高浊时都需大幅度降低其 处理能力， 以保证出水水质。 这是由于过去工程界的人们对亚微观传 质现象不认识， 对其传质的动力学致因也不认识， 因此传统的混合设 备无能力解决高浊时混合不均问题， 这不仅使水厂在特大高浊时大幅 值过低。pH而且造成药剂的严重消费和造成出水的度降低处理能力， 亚微观扩散究其

7、实质是层流扩散， 其扩散规律与用蜚克定律描写的宏 观扩散规律完全不同。 当研究尺度接近湍流微结构尺度时， 物质扩散 过程不一定是从浓度高的地方往低的地方扩散。 在湍流水流中亚微观 传质主要是由惯性效应导致的物质迁移造成的， 特别是湍流微涡旋的 离心惯性效应。 我们的管式微涡初级混凝设备， 就是利用高比例高强 度微涡旋的离心惯性效应来克服亚微观传质阻力， 增加亚微观传质速率。生产使用证明这两种设备在高浊时混合效果良好， 不仅比传统的 静态混合器可大幅度增加处理能力，也大大地节省了投药量。（二）反应絮凝是给水处理的最重要的工艺环节， 滤池出水水质主要由絮凝效果 决定的。传统廊道反应、 回转孔室反应

8、以及回转组合式隔板反应的絮 凝工艺，水在设备中停留20 30分钟，水中尚有很多絮凝不完善的 小颗粒。近年来， 国内出现了普通网格反应；国外推出了折板式与波 形板反应设备， 使絮凝效果有了比较明显地改善。 但由于人们对絮凝 的动力学本质认识问题，妨碍了絮凝效果的进一步提高。1. 絮凝的动力学致因 絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。 絮凝效果的好坏取决于 下面两个因素：一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥 的联结能力， 这是由混凝剂的性质决定的； 二是微小颗粒碰撞的几率 这是由设备的动力学条件所决和如何控制它们进行合理的有效碰撞， 定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，

9、人们一直未搞 清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致 因。按照这一理论，要想增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速 度梯度就必须增加水体的能耗， 也就是增加絮凝池的流速， 但是絮凝 过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减少。 絮凝的动力学致因究竟是什么？是惯性效应。 因为水是连续介质。 水 中的速度分布是连续的， 没有任何跳跃， 水中两个质点相距越近其速 度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的 跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会 发生碰撞。由此可见要想

10、使水流中颗粒相互碰撞， 就必须使其与水流 产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。 由于不同尺 度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。 这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。 如何让水中颗粒 与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速 度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运 动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。 这就是惯性效应的基本理 论。改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清 孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流波形板反应池

11、、池、.时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝； 二是改变水流方向。因为 湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变 自己的运转方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒 沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞 提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是 不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可见 湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就 可以大幅度地增加颗粒碰撞次数， 有效地改

12、善絮凝效果。 这可以在絮 凝池的流动通道上增设多层翼片隔板的办法来实现。 由于水流的惯性 作用，使过水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。 增设翼片隔板后有如下作用： (1) 水流通过该区段是速度激烈变化的 区段，也是惯性效应最强、 颗粒碰撞几率最高的区段； (2) 翼片隔板 之后湍流的涡旋尺度大幅度减少， 微涡旋比例增强， 涡旋的离心惯性 效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数； (3) 由于水流的惯性作用， 矾花产生强烈的变形， 使矾花中处于吸附能级低的部分， 由于其变形 揉动作用达到高吸能级的部位， 这样就使得通过该区之后矾花变得更 密实。矾花的合理的有效碰撞 2. 要达到好的絮凝效

13、果除了要有颗粒大量碰撞之外， 还需要控制颗粒合 理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。一方面，如 果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题： (1) 矾花长得过快 其强度则减弱，在流动过程中遇到强的剪切就会使吸附架桥被剪断， 被剪断的吸附架桥很难再连续起来， 这种现象称之为过反应现象， 应 该被绝对禁止； (2) 一些矾花过快的长大会使水中矾花比表面积急剧 减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件， 这些小颗粒与大颗 粒碰撞几率急剧减小， 很难再长大起来。 这些颗粒不仅不能为沉淀池 所截留，也很难为滤池截留。另一方面，絮凝池中矾花颗粒也不能长 得过慢，矾花长得过慢虽然密实，但当

14、其达到沉淀池时，还有很多颗 粒没有长到沉淀尺度， 出水水质也不会好。 此由看到在絮凝池设计中 应控制矶花颗粒的合理长大。矶花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素： 其一是混凝水解产物形 成的吸附架桥的联结能力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比 关系决定了矶花颗粒尺度与其密实度。吸附架桥的联结能力是由混凝 剂性质决定的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。 如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。多相流动物系反应控制理论的提出，真正建立起水处理工艺中的动力 相似。使我们认识到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素，如那么具有同样其湍流剪切力相等，果在大小

15、两个不同的絮凝工艺中， 联结强度的矶花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在，这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德数可 以作为相似准则数，可以表明湍流剪切力的大小，两个尺度不同的絮 凝过程当其弗罗德数相等时，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就 基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制絮凝效果的相似， 因为湍流剪切力相等时两个不同的絮凝过程的矶花联结强度相等，但矶花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矶花的密实程度可用湍动度 来控制，湍动度值越大表明在固定时间内流动固定空间点的涡流数量 越多，涡旋强度越大，矶花也越密实。在实际工作中是不可能测定湍 动度的。庆幸的是当湍

16、流剪切力相等时，尺度越大的絮凝池其水流速 度也越高，因此矶花的碰撞强度越大，形成的矶花越密实，这已为试 验与生产实践的所证实。这样就可以保证把小尺度的试验结果按照弗 罗德数相等来放大，放大后的絮凝效果会更好、更可靠。因而我们也 可以通过科学地布设翼片隔板，通过弗罗德数这个相似准则，来控制 絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矶花。（三）沉淀沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响 出水水质。传统的平流沉淀池优点是构造简单， 工作安全可靠；缺点是占地面积 要想降低滤前水的浊度就要较大地加大沉淀池的长处理效率低，大， 度。浅池理论的出现使沉淀技术有了长足的进步。七

17、十年代以后，我 国各地水厂普遍使用了斜管沉淀池， 沉淀效率得到了大幅度提高。但 经过几十年应用其可靠性远不如平流沉淀池，特别是高浊时期、低温 低浊时期以及投药不正常时期。传统沉淀理论认为斜板、斜管沉淀池中水流处于层流状态。其实不然， 实际上在斜管沉淀池中水流是有脉动的，这是因为当斜管中的大矶花 颗粒在沉淀中与水产生相对运动， 会在矶花颗粒后面产生小旋涡，这 些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动。 这些脉动对于大的矶花颗粒 的沉淀无什么影响，对于反应不完全小颗粒的沉淀起到顶托作用，故 此此也就影响了出水水质。为了克服这一现象，抑制水流的脉动，我 们推动了接触絮凝斜板沉淀设备。这一设备还有下面一些优

18、点：（1）由于间距明显减少，矶花沉淀距离也明显减少，使更多小颗粒可以沉 淀下来；（2）由于间距减少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中 水力阻力的主要部分，这样沉淀池中流量分布均匀，与斜管相比明显 地改善了沉淀条件； (3) 这种设备由于下面几个原因其排泥性能远优 于其他形式的浅池沉淀池； (a) 这种设备基本无侧向约束； (b) 这种设 备沉淀面积与排泥面积相等； 对普通斜管来说排泥面积只占其沉淀面 积的一半， 在特殊时期如高浊期， 低温浊期或加药失误时期污泥沉降 性能、特别是排泥性能明显变坏， 在斜管排泥面的边缘处由于沉积数 量与斜面上滑落下来的污泥数量大于排走的数量，造成污泥的堆积。 所

19、以一旦在斜管的角落处产生污泥的堆积， 这淹使瓜面减少，上升流速增加，增加了污泥下滑的顶托力，进一步 增加污泥堆积。 所以一旦在斜管角落处产生污泥的堆积， 就产生了污 泥堆积的恶性循环。 这种作用开始时由于斜管上升流速的增加， 沉淀 效果变坏，沉后水浊度增高，当污泥堆积到一定程度时，由于上升流 速的提高，可以把已积沉在斜管上的污泥卷起，使水质严重恶化。正 是这一原因才使得南方很多地区又由斜管沉淀池改为平流沉淀池。 而 小间距斜板沉淀池其排泥面积是普通斜管的 4 倍多，单位面积排泥负 荷尚不到斜管的 1/4 ，故在任何时期排泥均无障碍。 三、“涡旋混凝给水处理技术”的工艺特点(一) 处理效率高、占

20、地面积小、经济效益显著。由于混合迅速(330秒)，反应时间短(812分钟)，沉淀池上升流 速高(2.53.5mm/s),因此可大为缩短水在处理构筑物中的停留时间， 大幅度提高处理效率， 因而也就节省了构筑物的基建投资。 工程实践 证实：与传统工艺相比，采用新技术用于新建水厂，主体工艺构筑物 可节省投资 1520%，并可大幅度减少主体构筑物占地面积。占地面 积与平流沉淀池比较可节省 70%，与斜管沉淀池比较可节省 40%。（二）处理水质优，社会效益好，水质效益可观。几年运行实践证明， 这项工艺可使沉后水浊度稳定在 3 度以下，滤后 水接近 0 度，这就形成了一个很高的水质效益。 水质效益一方面就

21、是 社会效益，另一方面是潜在的经济效益。 我国现行饮用水水质标准为浊度不超过 3 度，而发达国家标准是不超 过 1 度。随着人民生活水平的提高， 我国也将进一步提高生活用水标 准。如果其标准提高到 1 度，那么大部分城市现有处理设备和工艺是 难以达到的， 只有通过大幅度投资扩建新水厂， 才能解决水质和水量 的矛盾。而采用此工艺可稳定保持出厂水浊度低于 1 度。由此可见， 其潜在的水质效益是相当可观的。（三）抗冲击能力强，适用水质广泛。 实践证明，此项技术抗冲击的能力较强，当原水浊度、进水流量、投 加药量发生一些变化时， 沉淀池出水浊度不象传统工艺那样敏感。 其 原因是，这项工艺的沉淀池上升流速

22、按 3.5mm/s 设计时尚有很大潜力。 运行实践表明， 这项工艺对低温低浊、 汛期高浊以及微污染等特殊原 水水质的处理均非常有效。低温低浊水中固体颗粒少， 颗粒尺度小，有机物含量相对高， 比重小。 从颗粒级配来看也相对均匀， 加之低温时药剂吸附架桥能力下降， 这 些都给絮凝与沉降带来困难。 新技术采用的絮翼片隔板凝设备， 可大 幅度增加颗粒碰撞几率，克服了固体颗粒少、难于相互碰撞的缺点， 形成比较密实的矾花，在接触絮凝斜板上有效的沉淀下来。对高浊水来说， 颗粒碰撞已不成问题， 但在这种情况下混凝剂的亚微 观扩散阻力大幅度增加。 传统方法很难使亚微观传质在混合设备中完 有一部分地方会出现过反应

23、情况，而这些地方反应不成。也就是说， 足，致使絮凝效果恶化，以致于矾花沉降性能变坏；再加上斜管沉淀 池本身结构导致排泥不畅的缺点， 使得高浊水处理成为难题。 新技术 由于能在各种情况下迅速完成药剂的亚微观扩散， 同时小间距斜板克 服了普通斜管排泥不畅的缺点，故此对高浊水处理十分有效。 我国目前普遍采用强氧化剂预氧化或生物预处理措施去除微污染。 然 而，无论何种预处理方法， 都要通过反应使水中的有机物析出，使它 们达到胶体颗粒尺度，最终通过絮凝、沉淀、过滤的方法与水中的其 他颗粒一起去除。 因此，高效能的絮凝与沉淀设备是去除微污染更有 效的设备。实践证明，这项新技术在去除水中有机污染方面同样行之

24、 有效。（四）制水成本降低。1. 由于新技术采用先进的混合及反应设备，可节省投药量 30%；2. 由于新技术沉后水浊度在 3度以下，减轻了滤池负担， 因此滤池反 冲洗水可节省 50%左右，并可延长滤料更换周期；3. 基建费用的大幅度节省，可较大程度降低投资折旧率。 从以上三个方面来看，新技术的使用可使制水成本显著降低。（五）工期短、见效快。 此项技术用于新水厂的建设，从设计到安装调试只需 23个月，可 以在短时间内解决城市供水不足的状况。随着我国城市建设的迅速发展， 很多城市供水设施由于投资紧张， 都 严重滞后于城市的发展，造成很多城市缺水的局面。加之水质污染， 水土流失等因素的影响， 传统工

25、艺暴露出难以克服的问题， 而影响优 质供水。而这项新技术可以有效解决传统工艺无法解决的问题。 总之，这项新技术具有处理效率高、水质好、投资省、制水成本低等 特点。此技术的推广应用， 可最大限度地挖掘利用现有水资源和供水 设施的潜力， 利用最小投资取得最大效益。 我们愿与全国各城市水司 竭诚合作，使这项技术得以更快地推广，造福于当地人民。 涡旋理论发展及其在混凝过程中的应用1 绪论环境水力学， 是形成和建立不久的一门新的学科分支。 它研究的对 象既有水力学的问题， 也包括环境问题。 水力学作为水利科学的一个 分支，已有悠久的历史； 而环境科学是近二三十年才发展起来的一门 新兴科学，环境水力学正是

26、在古老的水力学崭新的环境科学的结合点 上生长起来的一门交叉学科。 正是由于这样的交叉， 使得环境水力学 的理论中既继承了许多传统的内容， 也不断地在发展着自己持有的理 论基础，涉及到的内容有水力学或流体力学的基本理论， 及环境科不 断充实的一些理论，还有属于本学科自身发展起来、学的一般理论； 如污染物在天然水体中的稀释扩散规律、 天然净化机理，各种水体 （ 海 洋、河流、湖泊 ） 中，各种排放条件下污染物的迁移、运动规律，同 时也研究环境工程中的水力学问题， 如沉淀池中水力学特性对沉淀效 1，2。下率的影响、过滤装置中水流的特性及对处理效率的影响等等面，将分别介绍环境水力学在环境方面的研究、应

27、用情况3 环境水力学研究的现状 1.120 世纪 70 年代以来，随着水环境问题研究的深入和相关学科及应 用技术的发展，环境水力学无论在深度和广度上都取得了很大的进展。远区紊动扩散与离散的研究从对规则边界中的恒定流动向复杂 4 、 交汇流动和非恒定流动发展， 如天然河流、 山区河流、 分汉河段 5678 等。、尾流 河段、分层流、潮汐河段 与污染近区有关的射流理论由 规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流 发展，如横流、分层流、浅水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射 流、旋动射流等。使时均流场与物质浓度场控制方程封闭的紊流模型由简单模型向 精细模型发展，如K-双方程紊流模型

28、，基于重整化群 RNG勺K双 方程紊流模型，雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等。 水流-水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型 发展；被模拟勺状态变量不断增多，由开始勺几个增加到二三十个， 模拟勺变量由非生命物质如“三氧” （ 溶解氧、生物化学需氧及化学 需氧） 、“三氮” （氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 ）等等向细菌、藻类、 浮游动物、底栖动物等水生生物发展；应用范围由河流、水库、湖泊 等单一水体向流域性综合水域发展；计算勺时空网格数几何增长， 地理信息系统开始在水质模型中应用。 数字图像处理技术在环境水力学试验中勺研究与应用，有力地推 2 。动着环境水力学勺发展 3 1.2 环境

29、水力学研究勺趋势 1.2.1 研究对 象由无生命组分进入有生命组分，并向生态水力学发展20 世纪 60 年代以前，环境水力学仅限于研究水域中非生命物质的 扩散、输移与转化规律， 70 年代以来，随着水体富营养化等生态问 题的突出，其研究对象扩展到藻类、浮游动物、鱼类、底栖动物等水 生生物。水流条件、边界条件、非生物组分与生物组分间的相互作用 以及水生物组分间的食物链关系成为环境水力学研究的重要内容， 污 染动力学与生长动力学结合使环境水力学向着生态水力学发展。122结台“ 3S”,水流-水质模型的研究范围从单一局部水域向综合水域发展随着计算机和空间技术的发展，RS与GPS技术已能够同时获取大

30、量的不同分辨率多谱段的可见光、 红外、微波辐射和测视雷达的数据， 目前己与GIS结合进入一个能快速即时提供多种对地观测的具有整 体性的动态资料，并对这些资料进行分析与处理的新时段。3 环境水力学研究面临的问题 1.31.3.1 “三水”转换的水质模拟“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文学、水力学及 地下水动力学中从水量与水流的角度对 “三水” 的转化关系曾进行过 研究，但尚未从水质的角度进行过研究。 其实无论是从水量还是从水 质来说， “三水”之间都存在着转化关系， 目前的水质模拟中“三水” 基本上是独立的， 彼此间的影响只作为一种边界条件来体现， 没有作 为一个相互影响的综合系统来

31、考虑。 为从源头治理水污染， 需研究“三 水”之间的水质转换关系，建立“三水”转换的水量水质模型，为气、水、土和生态系统的统一管理提供技术支持。132挟沙水流的水质与生态模拟到目前为止，国内外的水质与生态模拟基本上是针对清水水域 的.这主要体现在模拟需用的物质浓度是采用清水观测方法监测的。 国内外普遍规定对挟沙的浑水需将水样过滤或澄清，用清水中的物质浓度作为观测浓度，该浓度值未计入泥沙中所含的物质量。 在水质模 拟中泥沙对水质的影响也只反映在水域底部处于不冲不淤前提下泥. 沙对物质的吸附或释放。天然实测资料表明，浑水样和澄清水样的物 质浓度差别很大。2涡旋的理论基础，图1-1涡旋现象涡旋亦称有

32、旋流，是做旋转运动的一种流体运动。 流体本身不仅发 生转动，而且其中任一股小单元均绕着瞬时轴线， 以某一角速度做旋 转运动。在自然界中，龙卷风、旋风、水流过桥墩时的旋涡等，都是 旋涡运动。如左图1-1显示的是水流形成的涡旋。9涡线、涡管、涡束和旋涡强度 2.1涡线是在某瞬时涡量场小所作的一条空间曲线， 在该瞬间，位于涡 线上的所有流体质点的旋转角速度向量。均与该线相切。因此，涡 2-1 线是给定瞬时曲线上所有流体质点的转动轴线。见图涡线的形状及在空间的位置都随时间而不断变化。 但在恒定流动中， 涡线的形状保持不变。一般情况下。涡线与流线不重合，而与流经相 交。与流线方程类同，可以得到涡线的微分

33、方程： 显然，由于涡线的瞬时性， t 应该是涡线方程的一个参变量。 给定瞬时，在涡量场中，过任意封闭围线 （不是涡线 ）上各点，作涡线 所形成的状表面， 称为涡管。若涡管中充满着旋转运动的流体质点 就 称为涡束。旋转角速度沿涡束长度改变， 但在微小涡束的每一个截面上， 流体 质点以同一角速度旋转， 旋涡在流场中对周围流体的影响， 以及沿涡 束的变化，决定于旋转角速度向量的和涡所包含授体的多少 （ 用截面 积A来表示）。如果面积A是涡束的某一横截面积，A就称为涡束旋 涡强度，它也是旋转角速度矢量3的通星，称之为旋涡通量。旋涡强 度不仅取决于3而且取决于 A。n流体质点的旋转角速度向量无法 直接测

34、量，所以旋涡强度不能直接计算。但是，旋涡强度与它周围的 速度密切相关，旋涡强度愈大，即或者角速度放大，或者涡束的截面 积大，对周围角度的影响也就愈大。因此，这里引入与旋涡周围速度 场有关的速度环量的概念， 建立速度环量与旋涡强度之间的计算关系。 这样，通过计算涡束周围的速度场，就可以得到旋涡强度。应用斯托 克斯定理，通过计算速度环量， 可以决定封闭围线所包围的面积中 全部旋涡的强度。10 涡旋的基本定理 2.22.2.1 斯托克斯定理关于速度环量与旋涡强度的斯托克斯定理： 沿任意封闭周线上的速 度环量，等于穿过该周线所包围面积的旋涡强度的两倍，即 显然，如果周线上所有各点的速度与周级垂直，那么

35、，沿该周线的 速度环量等于零。 这一定理将旋涡强度与速度量联系起来， 结出了通 过速度环量计算旋涡强度的方法。2.2.2 汤姆逊定理汤姆逊(Tboms on)定理：在有势质量力的作用下，在理想的正压性 流体中，沿任何封闭流体围线的速度环量不随时间变化，即由汤姆逊定理可以得出， 如果理想流体从静止状态开始流动， 流动 中始终沿相同流体质点组成的封闭围线线， 它的速度环量等于零。 根 据斯托克斯定理，旋涡强度由速度环量度量。因此，在有势质量力的 作用下，理想不可压缩液体，若初始没有旋涡，旋涡不可能在流动过 程个自己产生；或者相反，若初始有旋涡，流动中也不会自行消失。 如果从静止开始的流动， 由于某

36、种原因产生了旋涡， 则在该瞬间必然 会产生一个环量大小相等方向相反的旋涡，保持环量为零。实际上， 只有存在着粘性的真实流体， 旋涡才会产生和消失。 因而，不能应用 汤姆逊定理。但当粘性影响较小，且时间比较短的情况下，真实流体 也可以应用畅姆逊定理。2.2.3 涡管特性的亥姆霍兹三定理亥姆霍兹 (Helmho1ts) 第一定理：在同一瞬时沿涡管长度，旋涡强 度保持不变。这一定理说明，流动空间中的涡管，既不能突然中断，也不能突然产生。 同样，涡管也不能以尖端形式出现， 因为当 A0 时，j必须有3乂，而这是不可能的，所以流体中的旋涡不能以尖端发生n或告终。亥姆霍兹第一定理决定了在流动过程中涡管存在

37、的形式， 它 只能自成封闭管圈，或者涡管的两端附在边界上。对于真实流体，由 于粘性摩擦力消耗能量，涡管将在运动中逐渐消失。亥姆霍兹第二定理： 在有势质量力作用下的正压性理想流体中， 涡 管永远保持相同的流体质点组成而不被破坏。 因为涡管表面上不可能 有涡线通过，根据斯托克斯定理，沿封闭围线 l的环量r = 0。又l 由汤姆逊定理， 环量不随时间而变化， 所以沿封闭围线入上环量保持 为零。沿封闭围线L上环量保持为零。这说明在任何时候，都不可能 有涡线穿过任何围线所包围的面积，所以，随时间变化，虽然涡管的 形状会不断变化， 但组成涡管的流体质点永远在涡管上， 涡管能够保 持不变而不被破坏。亥姆霍兹

38、第三定理：在有势质量力作用下的正压性理想流体中， 涡 管的旋涡强度不随时间变化。 亥姆霍兹第一定理说明同 “瞬时沿涡管长度旋涡强度保持不变， 它 是斯托克斯定理的推论， 说明同一瞬间空间上旋涡的变化情况， 这是 个运动学的问题，对理想或粘性流体部成立。第二、第三定理说明涡 管的旋涡强度不随时间改变、 它由斯托克斯定理和汤姆姆逊定理加以 证明。对于真实流体，粘性摩擦消耗能量会使旋涡强度逐渐减弱，因 此，第二、三定理只适用于理想的正压流体。10 涡旋速度和压强的分布 2.3由流体微团形成的旋涡， 可看作个如同刚体那样转动的涡核。 涡 核（线） 在静止流体中旋转时， 由于流体的粘性作用， 将带动周围

39、的流 体围绕涡核作圆周运动。显然，刚开始时。由于速度梯度大，存在比 较大的粘性作用，以后逐渐减小，当周围运动稳定后，粘性作用就变 得很小，这时流体粘性作用可以略去不计，看作为理想流体。涡核在周围的流体中感生出速度，使在整个流域形成面生速度场（ 这种感生的流场是二元流动， 流体只有由涡核感生的圆周运动 ） 、所 以流场内某点（r > r0）的速度为涡核内流体作有旋运功， 不能应用拉格朗日积分。 旋涡区内流线是 以原点为圆心的同心园簇， 可以沿流线应用伯努利方程， 但这方程 不能解出不同流线间的压强分布，可采用欧拉运动微分方程积分求 解。在旋涡区内愈靠近中心，压强P急骤降低，因此在旋涡中心处

40、产生 一个很大的吸力，对旋涡区外的流体具有抽吸作用。11 2.4 涡旋的拉伸 湍流是有旋运动，湍流是由各种尺度的大小涡 旋组合而成的。湍流场中流体微团变形和旋转的强烈相互作用是湍流 的重要机理。随涡旋拉伸， 涡线改变方向等过程的进行，流场愈变得 复杂起来，需要以随机理论进行分析。根据随机游动理论，一个随机 运动的质点，在平均意义上，离开起点的距离是增加的，这意味着， 位于给定涡线端点的两质点， 在有随机扰动的流场中， 它们之间的长 度尽管会缩短，但平均起来总是增加的；涡旋总是拉伸的，涡量是增 加的。涡旋发展的一个主要机理是涡旋的拉伸。 下面分几点说明涡旋拉伸 的性质及其产生的结果。(1) 涡旋

41、变形的影响以拉伸为主， 拉伸导致涡量的强化。 总的说来， 元涡拉伸，断面缩小，涡量加强是主要的。(2) 涡旋拉仲的发展说明紊动必然是三维的。 对于紊流， 尽管时均 流动可以是二维的，紊动则必然是三维的，即瞬时量必然是三维的。(3) 涡旋拉伸的发展导致小尺度涡旋的各向同性。 元涡在一个方向 例如 X 方向的拉伸缩小了断面而强化了涡量，其结果增大了另外两1个方向的流速分量，这样使得邻近的 X、X 两个方向的元涡也受到拉 21伸。伯勒特梭(Bradshaw, P.)提出紊动涡旋的“家谱”(图2-2)来 描述紊动的发展过程。 由图可见， 一个方向涡旋的拉伸诱发另外两个 方向涡旋的拉伸，如此“一代一代”

42、传递下去，各方向的涡旅分布愈 来愈趋于均匀。因此得出结论：在紊流中，小尺度涡旋没有特殊的方 向性，即具有各向同性的待征。11 2.5 涡旋级串的形成 根据汤森等人的研究，存在于时均流动的 各种尺度涡旋中， 以方向和流场中的正应变主釉大体一致的涡旋为主， 从时均流动吸取能量，然后逐级传递下去。由于涡旋拉伸，尺度逐级 变小，转速则增大，粘性应力梯度也随之增大，粘性对涡量的扩散愈 来愈重要。 当粘性对涡量的扩散与拉伸对涡量的加强互相平衡时， 涡 旋尺度不再减小， 而达到极限， 最后能量通过小尺度的涡旋耗损转化 为热能。这样形成一个涡旋的级串 (vortex cascade) 。在涡旋尺度还没有小到足

43、以使粘性发挥作用以前， 能量逐级传递的过程可以认为相粘性无关。 消耗能量的数量则决定于开始下传能量的 数量。11 2.6 涡旋的运动 由于涡旋运动的复杂性及边界条件的多变性， 目前对涡旋问题尚难提出理论的精确解。 一般根据 N-S 方程组，再根 据所研究问题的边 界条件进行简化分析。 3 涡旋理论在混凝中的应用水的混凝机理一直是水处理与化学工作者们关心的课题， 迄今也还 没有一个统一的认识。一般认为：混凝分为凝聚和絮凝两个过程。凝 聚是瞬时的， 它是反映化学药剂在水中扩散的过程。 絮凝则与凝聚不 同，它反映脱稳后的胶体颗粒互相碰撞后粘在一起形成大致是永久性 聚集体的过程。 凝聚的时间很短， 要

44、想把凝聚和絮凝完全分开是很难 的，为了突出絮凝的特点又把大分子量的或者高分子聚合物称为絮凝 剂。目前，对于涡旋在混凝中的应用，主要存在两种：涡旋剪切混凝 和涡旋惯性离心混凝。3.1 涡旋剪切混凝紊流运动中的涡旋运动规律可用下式表达式中，k为常数；m为指数，一般m =0.5-0.9 ;口为计算点的切向 速度；R为计算点到原点的距离，即涡旋半径。则半径 R处的速度梯 度，即塑变形为：13 ，即便是湍流也可把它看成是平均流来研究提出 Heisenbery 它的 特征。如海水流动时虽然速度、位置都随时间而变化，在很长的时间 内观察时，可看成是湍流；但是在很短的时间内可将其看成是平均流。 这与Ross提

45、出的紊流流动可模型化为一些复杂层流运动的组 14。借 助坎布(Camp)的混凝方程，由涡旋速度梯度引起的合观点一致单位积 水中单位时间内i和j颗粒碰撞次数 N可表示为j式中，n为i颗粒浓度；n为j颗粒浓度：r为i颗粒半径；s为 j颗粒半径；其余符号意义同前。3.2涡旋惯性离心混凝在涡旋速度场中， 混凝颗粒随水流一起做涡旋运动， 则距旋转中心 为R、颗粒半径为1、密度p的球形颗粒，在旋转水流中所受的离 s 心力 F 为：式中，m为颗粒在水中的有效质量，；p为水的密度。絮凝颗粒径向运动时所受阻力F可表示为d颗粒在径向方向的运 动方程由牛顿第二定律得当颗粒作等速运动时，即，离心力与阻力平衡，得出颗粒在径向的 运动速度为式中，V为颗粒的径向运动速度；V为颗粒的自由沉速；C为阻do 力系数； g 为重力加速度；其余符号意义同前。上面的讨论虽是针对 球形颗粒进行的， 但对非球形颗粒同样适用， 因此颗粒在惯性离心力 作用下作径向运动时，大颗粒运动的快，小颗粒运动的慢，这一速度 差为颗粒碰撞提供了条件。 则径向速度差引起的单位体积、 单位时间 内i和j颗粒碰撞次数 N '可表示为j式中，V为i颗粒的自由沉速；V为j颗粒的自由沉速；r>r