慣性效應(yīng)在混凝中的動力學(xué)作用

（提要）本文首次從湍流微結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)即亞微觀標(biāo)準(zhǔn)對混凝的動力學(xué)題目進(jìn)行了研究，提出了慣性效應(yīng)是絮凝的動力學(xué)致因；提出了湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動力學(xué)因素，并建立了絮凝的動力相似準(zhǔn)則。文章指出擴(kuò)散過程應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散與亞微觀擴(kuò)散兩個(gè)不同的物理過程，而亞微觀擴(kuò)散的動力學(xué)致因是慣性效應(yīng)，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。一、絮凝動力學(xué)的研究現(xiàn)狀絮凝長大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決下面兩上因素：（1）是混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸咐橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的；（2）是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進(jìn)行公道的有效碰撞，這是由設(shè)備的動力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學(xué)科以為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因，并用下面公式計(jì)算速度梯度：（略）式式p為單位水體的能；μ為液體的動力粘滯系數(shù)。由于上面公式是在層流的條件下導(dǎo)出的，它是否適用于流態(tài)，一直是人們所關(guān)心的湍流的絮凝池。這個(gè)題目一直未有結(jié)論。實(shí)際上，上面公式是層流條件下的速度梯度。對于湍流來說由于湍動渦旋的作用，大大地增加湍流中的動量交換，大大地均化了湍流中的速度分布，所以湍流中的速度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上式計(jì)算的數(shù)值。既然如此，上面公式在給水處理的工程界中為什么可以用了半個(gè)世紀(jì)呢？由于上面公式中p（單位水體能耗）這一項(xiàng)與湍流中的微渦旋有著密切關(guān)系，從后面文章內(nèi)容我們可以看到，正是這些湍流的微結(jié)構(gòu)決定了水中微小顆粒的動力學(xué)特性和它們之間的碰撞。通過幾十年的工程實(shí)踐人們積累了上面公式大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用此來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)當(dāng)然不會出現(xiàn)大的題目。但上述公式對改善現(xiàn)有的絮凝工藝并沒有任何價(jià)值。由于進(jìn)步絮凝效果就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速。但是絮凝過程是速度受限過程，隨著礬花的長大，水流速度應(yīng)不斷減小。另一方面我們可以舉出一個(gè)完全與速度梯度理論相矛盾的絮凝工程實(shí)例。網(wǎng)格反應(yīng)池在網(wǎng)格后面一定間隔處水流近似處于均勻各向同性湍流狀態(tài)，即在這個(gè)區(qū)域中不同的空間點(diǎn)上水流的時(shí)均勻速度都是相同的，速度梯度為零。按照速度梯度理論，速度梯度越大，顆粒碰撞次數(shù)越多。而網(wǎng)格絮凝反應(yīng)池速度梯度為零，其反應(yīng)效率應(yīng)最差。事實(shí)恰好相反，網(wǎng)格反應(yīng)池的絮凝反應(yīng)效果卻優(yōu)于所有傳統(tǒng)反應(yīng)設(shè)備。這一工程實(shí)例充分說明了速度梯度理論遠(yuǎn)未揭示絮凝的動力學(xué)本質(zhì)。在絮凝的研究中，還有一個(gè)湍流研究學(xué)派用湍流擴(kuò)散的時(shí)均勻議程往計(jì)算顆粒碰撞次數(shù)。最后得到的結(jié)論與速度梯度理論基本相同，即湍流中顆粒碰撞次數(shù)隨湍流能耗增大而增大。由于這種研究方法用的是湍流擴(kuò)散時(shí)均勻方程，因此就不能揭示湍流微結(jié)構(gòu)在絮凝中的動力學(xué)作用。在諸如象絮凝動力學(xué)的研究中，把研究領(lǐng)域僅僅劃分為微觀與宏觀已不夠了。由于絮凝中的顆粒碰撞是與湍流中的微結(jié)構(gòu)的動力作用密切相關(guān)，而微結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，所以微觀的分子運(yùn)動完全不受湍流微結(jié)構(gòu)影響，只與熱力學(xué)系數(shù)有關(guān)。而宏觀活動計(jì)算中人們關(guān)注的是時(shí)均勻速度，時(shí)均勻壓強(qiáng)、時(shí)均勻濃度，無法往揭示湍流微結(jié)構(gòu)在絮凝中的動力學(xué)作用。因此在絮凝動力學(xué)的研究中應(yīng)從湍流微結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，即從亞微觀標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行研究。上述絮凝的湍流研究學(xué)派正是由于采用統(tǒng)計(jì)時(shí)均勻的宏觀活動計(jì)算方法，所以就無法揭示絮凝的動力學(xué)本質(zhì)。二、絮凝的動力致因有人以為湍流中顆粒碰撞是由湍流脈動造成的。這種熟悉不很確切。實(shí)際上湍流并不存在脈動，所謂的脈動是由于所采用的研究方法造成的。人們用流體力學(xué)傳統(tǒng)的研究方法歐拉法進(jìn)行研究，即在固定的空間點(diǎn)觀察水流運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間變化，這樣不同時(shí)刻有不同大小的湍流渦旋的不同部位通過固定的空間點(diǎn)，因此在固定的空間點(diǎn)上測得的速度呈現(xiàn)強(qiáng)烈的脈動現(xiàn)象。假如我們跟隨水流質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動，往觀察其運(yùn)動情況，就會發(fā)現(xiàn)水體質(zhì)點(diǎn)的速度變化是連續(xù)的，根本不存在脈動。實(shí)際上水是連續(xù)介質(zhì)。水中的速度分布是連續(xù)的，沒有任何跳躍。水中兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距為無究小時(shí)，其速度差亦為無窮小，即無速度差。水中的顆粒標(biāo)準(zhǔn)非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。假如這些顆粒隨水流同步運(yùn)動，由于沒有速度差就不會發(fā)生碰撞。由此可見要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動，這樣水流就會對顆粒運(yùn)動產(chǎn)生水力阻力，設(shè)顆粒的外形為球形，其半徑為r0,顆粒與水流相對速度為v,水的密度為p，球形顆粒所受水力阻力fd可按下式計(jì)算（略）式中po為球形顆粒密度。假如略往因顆粒尺寸不同而造成的密度變化，由上式可見單位質(zhì)量球形顆粒所受水力阻力隨標(biāo)準(zhǔn)增大而減少；即顆粒越大單位質(zhì)量所受水力阻力越小。上面講座固然是針對球形的，但對非球形顆粒同樣適用。由于不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒所受水力阻力不同，所以不同標(biāo)準(zhǔn)之間就產(chǎn)生了速度差。這一速度差為相鄰不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動呢？最好的辦法是改變水流的速度。由于水慣性（密度）與顆粒的慣性（密度）不同，當(dāng)水流速度變化時(shí)它們的速度變化（加速度）也不同，這就使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對運(yùn)動，為相鄰不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒碰撞提供了條件。改變速度方法有兩種：（1）是改變水流時(shí)均勻速度大小，水力脈沖澄清池，波形反應(yīng)池、孔室反應(yīng)池以及濾池的微絮凝作用，主要就是利用水流時(shí)均勻速度變化造成的慣性效應(yīng)來進(jìn)行絮凝；（2）是改變水流方向，由于湍流中布滿著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動時(shí)不斷地在改變自己的運(yùn)動方向。當(dāng)水流作渦旋運(yùn)動時(shí)在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動，為不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒沿流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒在湍流渦旋中單位質(zhì)量所受離心慣性力是不同的。這個(gè)作用將增加不同標(biāo)準(zhǔn)顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的幾率。下面來討論這個(gè)題目。在湍流渦旋中取一個(gè)小的脫離體，顯然沿徑向方向作用在該脫離體上有兩個(gè)力：一是離心力；二是壓力的協(xié)力。兩者相平衡。假如把坐標(biāo)原點(diǎn)取在運(yùn)動的渦旋的中心上，則可寫成如下方程：（略）由上面的理論論述可以看出，假如能在絮凝池中大幅度地增加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增加顆粒碰 數(shù)，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的活動通道上增設(shè)多層小孔眼格網(wǎng)的辦法來實(shí)現(xiàn)。由于過網(wǎng)水流的慣性作用，使過網(wǎng)水流的大渦旋變成小渦旋，小渦旋變成更小的渦旋。不設(shè)網(wǎng)格的絮凝池湍流的最大渦旋標(biāo)準(zhǔn)與絮凝池通道標(biāo)準(zhǔn)同一數(shù)目級。當(dāng)增設(shè)格網(wǎng)之后，最大渦旋標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)眼標(biāo)準(zhǔn)同一數(shù)目級。增設(shè)小孔眼格網(wǎng)之后有如下作用：（1）水流通過格網(wǎng)的區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強(qiáng)，顆粒碰撞幾率最高的區(qū)段；（2）小孔眼格網(wǎng)之后湍流的渦旋標(biāo)準(zhǔn)大幅度減少。微渦旋比例增強(qiáng)，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù)；（3）由于過網(wǎng)水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸附能級低的部分，由于其變形揉動作用達(dá)到高吸能級的部位，這樣就使得通過網(wǎng)格之后礬花變得更密實(shí)。三、礬花的公道的有效碰撞要達(dá)到好的絮凝效果除有顆粒大量碰撞之外，還需要控制顆粒公道的有效碰撞，使顆粒凝聚起來的碰撞稱之為有效碰撞，使顆粒凝聚起來的碰撞稱之為有效碰撞。假如在絮凝中顆粒凝聚長大得過快會出現(xiàn)兩個(gè)題目：（1）礬花長得過快其強(qiáng)度則減弱，在活動過程中碰到強(qiáng)的剪切就會使吸咐架橋被剪斷，被剪斷的吸咐架橋很難再連續(xù)起來，這種現(xiàn)象稱之為過反應(yīng)現(xiàn)象，應(yīng)該被盡對禁止；（2）一些礬花過快的長大水中礬花比表面積急劇減少，一些反應(yīng)不完善的小顆粒失往了反應(yīng)條件，這些小顆粒與大顆粒碰撞幾率急劇減小，很難再長大起來。這些顆粒不僅不能為沉淀池所截留，也很難為濾池截留。絮凝池中礬花顆粒也不能長得過慢固然密實(shí)，但當(dāng)其達(dá)到沉淀池時(shí)，還有很多顆粒沒有長到沉淀標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)也不會好。由此看到在絮凝池設(shè)計(jì)中應(yīng)控制礬花顆粒的公道長大。礬花的顆粒標(biāo)準(zhǔn)與其密實(shí)度取決兩方面因素：其一是混凝水解產(chǎn)物形成的吸咐架橋的聯(lián)結(jié)能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個(gè)力的對比關(guān)系決定了礬花顆粒標(biāo)準(zhǔn)與其密實(shí)度。吸咐架橋的聯(lián)結(jié)能力是由混凝劑性質(zhì)決定的，而湍流的剪切力是由構(gòu)筑物創(chuàng)造的活動條件所決定的。假如在絮凝池的設(shè)計(jì)中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。

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