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

2、而导致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%，节省药剂投加量 30%，大大降低了运行费用 和制水成本。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 颗粒同时脱稳

4、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， 这部分扩散是由 大涡旋的动力作用导致的，因而宏观扩散可以短时 间内完成； (2) 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 比宏观扩散小几个数

5、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 到的地

6、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 特大高浊时大幅度降低处理能力，而且造成药剂的 严重消费和造成出水的pH值过低。亚微观扩散究其 实质是层流扩散

7、，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、回转孔室反应以及回转组合式

8、隔板反应 的絮凝工艺，水 在设备中停留2030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 的几率和如何控 制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学 条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人 们一直未搞清

9、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，随着矶花的长大，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。由此可见要想使水流中颗粒相互

10、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 清池、波形板反 应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用 水流时平均速

11、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

12、地改善絮凝效果。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。2.矾花的合理的 有效碰撞要达到好的絮凝

13、 效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

14、然密实，但当其达到沉淀池 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 中应控制矾花颗粒的合理长大。矾花的颗粒尺度 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 矾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, 如果在大小

15、两个 不同的絮凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有 同样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

16、 际工作中是不可 能测定湍动度的。庆幸的是当湍流剪切力相等时， 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 积大，处理效率 低，要想降低滤前水的浊度就要较大地加大

17、沉淀池 的长度。浅池理 论的出现使沉淀技术有了长足的进步。七十年代以 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

18、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

19、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

20、。三、“涡旋混凝给水处理技术”的工艺特点（一）处理效率 高、占地面积小、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

21、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，

22、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，形成比较密实的矶花，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

23、统方法很难使亚微观传质在混合设备 中完成。也就是 说，有一部分地方会出现过反应情况，而这些地方 反应不足，致使 絮凝效果恶化，以致于矶花沉降性能变坏；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

24、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

25、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

26、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 学的一般理论；还有属于本学科自身发展起来、不 断充实的一些理 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 性对沉淀效率的影响、过滤装置中水流的特性及对1 ，2处理

27、效率的影响 等等 。下面，将分别介绍环境水力学在环境方 面的研究、应用 情况。1.1 环境 水力学研究的现状 320 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流动和非恒定流 动发展，如天然河流、山区河流、分汉河段、交汇河段、潮汐河段、尾流、分层流8等。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

28、由简单模型 向精细模型发展，如K-双方程紊流模型，基于重整化群 RNG勺K |汉双方程紊流模型，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；被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十 个，模拟的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；计算的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的研究与应用，有力 地推动着环境水力

29、学的发展2。1.2环境水力学研究的趋势31.2.1 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，R

30、S与GPS技术已能够同时获取 大量的不同分辨 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。1.3 环境水力学研究面临的问题 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

31、作 为一个相互影响的综合系统来考虑。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。1.3.2 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

32、大。2 涡旋的理 论基础图1-1涡旋现象涡旋亦称有旋流，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。2.1涡线、涡管、涡束和旋涡强度9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, 涡线是给定瞬时曲线上所有流体质点的转动轴线。见图 2-1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

33、 与流经相交。与 流线方程类同，可以得到涡线的微分方程：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 n而且

34、取决于A。流体质点的 旋转角速度向量无法直接测量，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。2.2 涡旋的基本定理 10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

35、上所有各点的速度与周级垂直，那么，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（Tbomson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

36、。如 果从静止开始的流动，由于某种原因产生了旋涡， 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。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 Aj0时，必须有3 n=,而这是不可能的，所以流体中的旋涡不能以 尖端发生或告终 。亥姆霍兹第一定理决定了在流动过程中涡

37、管存在 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 L= 0。又由汤姆逊定理，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

38、破坏。亥姆霍兹第 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。2.3 涡旋速度和压强的分布 10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

39、带动周围 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

40、旋涡中心处 产生一个很大的 吸力，对旋涡区外的流体具有抽吸作用。2.4 涡旋的拉伸11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

41、结果。(1) 涡旋变形的影响 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 X1 方向的拉伸缩小了断面而强化了涡量， 其结果增大了另外 两个方向的流速 分量，这样使得邻近的 X1、 2 两个方向的元涡 也受X到拉伸。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

42、的拉伸，如此“一代一代”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。2.5 涡旋级串的形成 11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)。

43、在涡旋尺度 还没有小到足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。2.6 涡旋的运动11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

44、时间很短，要想把凝聚和絮凝完 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 ;u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：Heisenbery 提出 13，即便是湍流也可把它看成是平均流来研究 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

45、是平均流。这与Ross提出的紊流流动可模型化为一些复杂 层流运动 的组合观点一致14。借助坎布（Camp的混凝方程，由涡旋速度梯度引起的单位积水 中单位时间内i和j颗粒碰撞次数Nij可表示为式中，ni为i颗粒浓度；nj为j颗粒浓度：ri为i颗粒半径;rj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 s的球形颗粒，在旋转水流中所受 的离心力 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 Fd 可表示为颗粒在径向 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；V0为颗粒的自由沉 速；Cd为 阻力系数； 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Nj 可表示为式中，V)i为i颗粒的自由沉速；V 0j为j颗粒的自由沉速； ri