譚章榮¹，秦祖群¹，孫友勛²，高乃云²，范瑾初²
（1.鎮江市自來水公司，江蘇 鎮江 212001；2.同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092）

　　摘要：由于Camp和Stein的速度梯度公式G值存在理論及應用上的缺陷，首次針對異波折板絮凝池，提出單位造渦強度--Fs這一宏觀控制指標。由于折板單元的水力特征決定了其本身的造渦強度，將Fs與絮凝效果有機地結合起來，在宏觀上就便于通過控制折板單元的水力特征來達到對絮凝效果進行控制的目的。
　　關鍵詞：給水處理；異波折板絮凝池；單位造渦強度
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：c
　　文章編號：1000-4602（2000）06-0058-03

　　折板絮凝池是在隔板絮凝池的基礎上發展起來的。長期以來，絮凝控制指標均是建立在G值或絮凝能耗的基礎上的。鑒于G值在理論和實踐上存在缺陷，在本研究中，對異波折板絮凝池的絮凝控制指標不采用G值，而是提出單位造渦強度這一宏觀控制指標，這一新探索對傳統的G值是一個突破。

　　1 單位造渦強度的提出與探討

　　1.1 異波折板模型的建立
　　取異波折板絮凝池的一個漸擴和漸縮段組成的一個折板單元(圖1)，水流在折板單元內的流動呈紊動狀態，形成對稱渦旋(圖2A)或單側渦旋(圖2B)。絮凝池是由眾多折板單元組成的，從而完成絮凝過程。

　　1.2 絮凝控制指標--單位造渦強度F_S紊動由許多大小不等的渦旋或渦體所組成，大小不同的渦體產生頻率(α)不等或波長(λ)不同的脈動。大尺度的渦旋逐漸變為較小尺度的渦旋，并將能量傳遞給小尺度渦旋，紊動能量最后通過小尺度渦旋轉變為熱能而散失^［1］。許多專家都認為只有尺度與絮體尺寸相近的渦旋才會促使顆粒碰撞并導致絮凝。
　　紊流脈動能譜如圖3所示。

　　通過對紊流脈動能譜的研究，可以認為除了大渦旋(Ⅰ區)主要起擴散作用外，由于實際水流中顆粒尺寸不等，渦旋尺度又隨機變化，故而自載能渦旋區(Ⅱ)至統計平衡區(Ⅲ)的所有渦旋均對顆粒碰撞有效。測量渦旋微尺度、脈動動能以及有效能耗還很困難，直接從微觀上研究絮凝速率，在技術上有難度，故采用宏觀指標來反映絮凝效果。在此宏觀指標中，實際上隱含著渦旋變化及能量的傳遞和衰減，即渦旋在自(Ⅰ)區→(Ⅱ)區→(Ⅲ₁)區→(Ⅲ₂)區的衰減歷程中，由每一個折板單元絮凝區(漸擴段+漸縮段)所造成的渦旋既不能只停留在(Ⅰ)區范圍內，又不至于快速衰減消失(Ⅲ₂區，即粘性損耗)，這就需要從宏觀上控制每一個折板單元絮凝區的紊流脈動強度變化。基于這一認識，提出了一個針對異波折板單元的絮凝效果控制指標--單位造渦強度F_S(暫名，對一個單位絮凝區而言)來控制絮凝效果：

　　式中　h--漸擴段或漸縮段高度，m
　　　　　l--折板板長，m
　　　　　α--折板傾角
　　　　　k--脈動強度常數，僅與流速及水溫有關
　　　　　F_S--單位造渦強度，1/s；
　　　　　v₁--波峰流速，m/s
　　　　　v₂--波谷流速，m/s

　　根據式(1)，若控制折板單元參數(板長l、夾角α、流速v₁和v₂)在最優范圍內，即F_S在最優區域，或存在(F_S)_opt值，可使折板單元產生大量適合絮凝顆粒碰撞的渦旋，促進絮凝效果的提高。這樣就可以通過控制折板單元的單位造渦強度這一參數而達到對絮凝效果的控制。為防止絮凝體的破碎，F_S的數值也要沿程適當降低。
　　應當說明，式(1)僅局限于目前折板絮凝池所取設計流速范圍內，尚不能任意外延。若v₁和v₂過大或過小，則會造成絮體破碎或絮凝難以進行。
　　與速度梯度G值相比，用單位造渦強度F_S控制更為簡便，在一定流量下只要折板長度、寬度及間距確定，則必有與之相對應的F_S，調整折板單元的參數組合使F?S在最優范圍內，即可達到理想的絮凝效果。

　　2 試驗裝置與方法

　　2.1 試驗裝置
　　折板模型用玻璃制作，硅膠填縫。模型共四套(M1，M2，M3和M4)，設計及運行參數見表1。

　　2.2 測試指標
　　原水采用自來水加高嶺土配制，絮凝劑為聚合硫酸鐵。絮凝效果采用絮凝沉淀后平均濁度去除率、[HJ]單元去除率或單位體積去除率表示(η_v)。平均濁度去除率指一定折板單元數內的平均去除率；單元去除率為平均濁度去除率除以單元數；單位體積去除率等于單元去除率除以一個單元的體積。采用η_v較合理，因為達到相同除濁率，η_v值大的，可使池體積減小。

　　3 試驗結果

　　單位造渦強度F_S中的脈動強度常數k，文獻^［2］提到緩變流渠道的k＝0.15～0.18。異波折板單元中，由于流態復雜，假定k在0.1～0.4范圍內，由此計算出F_S值。計算結果表明(計算過程從略)，k值在0.1～0.4范圍內變化時對F_S的影響很小。故研究中取k＝0.20。M1～M4的試驗結果見表1及圖4。
　　由圖4可見，在F_S≤5.0/s時，η_v隨F_S的增大而有所增加，在F_S＞5.0/s時，η_v又降低，在(3.5～5.0)/s之間，η_v值較高，即模型的單位體積除濁效果較好。比較而言，又以模型M1在波峰流速0.3 m/s的工況下為最佳，η_v值達31.9%。

　　綜上所述，異波折板絮凝模型單元的第一段適宜單位造渦強度F_S為(3.5～5.0)/s，模型最佳折板單元絮凝參數為：l＝100 mm，α＝45°，v₁＝0.3 m/s。
　　推論：以上結果是對絮凝的第一段而言，若考慮絮凝沿程分為三段，建議降速絮凝的第二段和第三段所對應的F_S可為：F_S2＝(2.5～3.5)/s，F_S3＝(1.0～2.0)/s，且需進一步試驗驗證。

　　4 F_S應用于實際生產

　　生產設備采用的板長大，而夾角及波峰流速和波谷流速與模型相同，故設計的模型與原型是變態比例，不能簡單地直接用雷諾相似或弗諾德相似把模型試驗結果推廣到原型。
　　實際生產中折板板長通常取500 mm，夾角為45°或60°，第一段波峰流速0.3 m/s，波峰間距0.25 m，則按照弗諾德相似，板長比例＝1/5，波峰間距比例＝1/25，綜合長度比例為（1/125）^0.5＝1/11.18，速度比例＝(1/11.18)^0.5，FS＝速度/長度，其比例應為≈11.18^0.5。
　　因為模型流速與原型保持一致，因此實際絮凝池的F_S應為試驗模型的1/11.18，也就是實際生產設備的F_S約比本試驗中的模型的數值小一個數量級。即第一檔F_S1＝(0.35～0.50)/s，第二檔F_S2＝(0.25～0.35)/s，第三檔F_S3＝(0.10～0.20)/s。
　　以鎮江市金西水廠的異波折板絮凝池為例，表2給出其沿程的F_S值(設計值)。

　　可見，金西水廠的F_S基本上在合理的范圍內，與建議值相差不大。

　　5 結語

　　通過模型試驗，得出異波折板絮凝單元的適宜單位造渦強度為：第一檔F_S1＝(0.35～5.0)/s，考慮沿程降速絮凝則可推斷第二檔的F_S2＝(2.5～3.5)/s，第三檔的F_S3＝(1.0～2.0)/s。模型試驗中第一檔絮凝效果最好的折板單元參數為：l＝100 mm，α＝45°，v₁＝0.3 m/s。模型試驗的結果推廣于生產設備，初步確定F_S減小一個數量級，即第一檔F_S1＝(0.35～0.50)/s，第二檔F_S2＝(0.25～0.35)/s，第三檔F_S3＝(0.10～0.20)/s。

參考文獻：
［1］夏震寰.現代水力學(三)紊動力學［M］.北京：高等教育出版社，1992.
［2］泄水建筑物水力計算手冊［M］.陳肇和等譯.水力水電規劃設計總院，華北水電學院北京研究生部.1993.

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收稿日期：1999-12-17