混凝過程中絮體形貌的PIV成像觀測與表征

毛玉紅,常 青,曾立云 (蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070)

粒子圖像速度場儀(PIV)是一種全場、動態、非接觸測量技術,具有較高的精度和空間分辨率,在流場中投加示蹤粒子后,即可用來測定整個流場的瞬時速度,從而定量揭示復雜和非穩定流的總體結構,目前廣泛應用于流體力學領域的研究,主要用于水、風、火焰燃燒及噴射等各種流場測量與顯示[1],在水處理領域混凝過程方面的研究涉及較少.

混凝反應是混凝工藝最重要的環節,混凝劑與水中顆粒物作用所形成的絮體是混凝工藝過程的產物,其微觀結構特征對混凝工藝的操作性能及混凝效果具有重要的影響.但由于絮體本身結構復雜、比較脆弱、易碎和不規則等特性[2-3],極易在測量過程中由于輕微碰觸導致其形貌結構發生變化,使其形狀失真,給研究結果帶來干擾,所以很難有合適的研究方法對絮體的形成環境進行監測.關于絮體監測,常用激光粒度分析儀、FCD水下攝像系統、DH-CPAS顆粒圖像系統等進行在線監測[4-5],但是,當絮凝反應器的結構特殊時,常規的水下在線監測成像系統就無法使用,必須尋找新的在線成像方法,才能得到精確的絮體信息.

PIV在測量流場的過程中,利用激光照亮測量區域,讓區域中的示蹤粒子產生足夠強度的散射光,PIV圖像拍攝系統才能記錄下示蹤粒子圖像,再進行互相關計算得到速度矢量場.混凝過程中混凝劑與水中懸浮顆粒物能在絮凝流場的作用下形成很多絮體顆粒,在某一特定瞬時時刻分散在流場中的各個角落,類似于PIV測量時播撒的示蹤粒子,所以可以嘗試利用混凝過程中產生的絮體粒子作為示蹤粒子,在混凝的同時用 PIV進行流場測量,對絮體顆粒在混凝流場中的聚集過程進行在線監測,經過分析、計算及比較,獲取各個時刻混凝過程中絮體的運動信息,進而得到混凝過程中流場的速度矢量場.

Taylor-Couette裝置是一種傳統的絮凝反應器[6],其結構比較特殊,由兩個同心轉筒構成,在外筒固定,內筒旋轉時,兩筒間隙中的液體會在內筒的驅動作用下發生流動.本研究應用 Taylor-Couette反應器進行絮凝實驗,通過控制內筒轉速,混凝劑與水中顆粒物就能在不同的環隙流場作用下形成絮體,用PIV對各種流態下的速度場及絮體顆粒在環隙流場中的聚集過程進行在線監測,經過分析、計算,獲取渦流場混凝過程中的絮體形貌的變化過程與特征,從而實現對湍流絮凝絮過程中絮體形貌與流場結構的同步觀測與表征.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與設備

Taylor-Couette反應器由本實驗室自制.旋轉內筒由不銹鋼制成,直徑 2ri=75.0mm;固定外筒由透光有機玻璃制成,直徑 2r0=100.0mm;環隙寬度 d=r0-ri=12.5mm;內外筒半徑比 η = r0/ri=0.75;筒高L=440.0mm;筒高與環隙寬度比值Г =L /(r0-ri) =35.2.內筒由ABB電機驅動.

PIV系統由丹麥Dantec Dynamics公司生產,組成部分主要有雙脈沖 Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機、Flowmap同步器(HUB)、計算機及PIV軟件等.將PIV系統應用于Taylor-Couette反應器,實驗裝置如圖1所示.

當Taylor-Couette反應器內筒旋轉角速度從零開始增加時,環隙流體會經歷一系列流態的轉變,先后出現層流泰勒渦流動(TWF)、波狀渦流動(WVF)、調制波狀渦流動(MWVF)和湍流泰勒渦流動(TTVF)等含渦流場[7-9].這些渦的尺度與環隙的寬度近似.以上流態的轉變分別出現于旋轉雷諾數Re的某特定值.Re定義式如下:

圖1 Taylor-Couette 流場測量實驗裝置示意Fig.1 Schematic of the flow field measurement in Taylor-Couette

式中:ω 為內筒的旋轉角速度,rad/s;ri為內筒半徑,m;d=r0-ri為環隙的寬度, m;ν為流體的運動黏度,m2/s.在試驗操作中,通常以轉速為控制條件來間接反映旋轉雷諾數 Re的大小.由于 ω=2πn,且當轉速的單位為r/s時,角速度的單位才是rad/s.所以,為方便實驗操作,將(1)式改寫為以轉速n(r/min)作為參數來表征流動狀態:

式中:n為內筒轉速,其單位為r/min.

1.2 實驗方法

1.2.1 混凝實驗與流場測量 為避免光學畸變,將內筒與外筒一并置于一個方形的有機玻璃盒中,并在此方盒中充入蒸餾水.將激光片光定位于反應器環隙子午面上,再將 CCD相機設置在與激光器發出的片光垂直的方向上,以獲取激光面上流場內的粒子圖像.事先用高嶺土和自來水配制 2%的懸濁儲備液待用.將 1500mL自來水加入到 Taylor-Couette反應器環隙中,再加入7.5mL高嶺土懸濁儲備液,以內筒 500r/min的轉速強烈旋轉混合,作為處理水樣,此時水樣濁度穩定在100NTU左右.按照預先選定的10mg/L投加量,加入1%濃度的聚合氯化鋁(PAC)或 6%濃度的 FeCl3溶液,繼續以500r/min的內筒轉速旋轉2min,使PAC混合均勻,并與水中膠體微粒迅速發生脫穩凝聚作用而形成初級微絮體顆粒;緊接著以不同的目標轉速緩慢旋轉 10min,以進行充分的絮凝反應.此時,對應每一個轉速,均在絮凝反應過程進行到第4,6,8,9min及在靜沉9min(即10min的靜沉快結束時)時分別啟動 PIV 拍攝一組粒子圖像,并記錄圖片數據,每組至少 20對照片.完后再靜置沉降 10min,再從水面下 210mm 處取樣測定濁度.濁度采用哈納HI93703-11型濁度測量儀(中國北京哈納科儀科技有限公司)測定.Taylor-Couette反應器環隙子午面如圖1中陰影部分所示.

每一個轉速所對應的絮凝過程均啟動 PIV拍攝 5次,所以對每個確定的內筒轉速可獲得約200對圖像,每幅圖像軸向×徑向的大小為1186×325像素,比例因子為5,即實際絮體粒子是圖上粒子的5倍大.將這些經由PIV系統CCD相機獲取到的粒子圖像作為混凝反應過程在不同流態下、不同絮凝時間產生的在線絮體圖像,以表征絮體在混凝過程中形貌變化特征.再對粒子圖像應用 Flowmap軟件系統中的 Adapt Correlation命令進行自適應互相關分析,得到各轉速對應流場的瞬時速度矢量場.

1.2.2 絮體形貌表征 特征抽取是圖象分析中的一個最重要、最基本的問題,在分析如此多的粒子圖像的特征時,研究關鍵幀抽取的問題是非常重要的一環.按照絮凝實驗步驟的順序,對應每一個轉速,將絮凝反應過程進行到第4min時獲得的圖像稱為第一組,第6,8,9min及靜沉9min后得到的粒子圖像分別依次稱為第2,3,4,5組,每組20對照片,共有5大組.分別對獲得的每一幅圖像進行逐一對比檢測和分析,經過察看各幅圖像以及對多種圖像組合進行分析比對后,決定選取部分典型流場所對應的局部粒子圖像作為在線絮體圖像,來表征混凝過程中絮體形貌的變化過程.所以選取第1組的第1幀,后面4組中的最后1幀粒子圖像,組合為絮體圖像,用以表征流場中絮體顆粒大小、粒徑分布范圍等變化過程,進而進一步分析絮凝過程中絮體的形態變化特征.

2 結果與討論

2.1 兩種絮凝劑在不同轉速條件下的絮凝效果

分別投加不同絮凝劑PAC和FeCl310mg/L,在不同的轉速下進行重復實驗,所得絮凝效果如圖 2所示.由圖 2可知,2種絮凝劑的濁度去除效果與趨勢均很一致,在每一種投藥量的情況下,濁度去除率均隨著內筒轉速的升高先升高,后降低,在 20～60r/min范圍內,絮凝過程對濁度的去除率均保持在較高的水平,60r/min 以后,其濁度去除率逐漸降低.

圖2 不同絮凝劑條件下的絮凝效果(加藥量為10mg/L)Fig.2 Flocculation efficiencies at different rotation speeds with different flocculants (The dosage is 10mg/L)

2.2 各轉速條件下絮體形貌變化

關于絮體成長方面的研究,比較常用的方法是利用激光粒度分析儀對其粒徑分布進行在線監測.根據激光光束在絮體顆粒表面散射信號的強弱進行粒徑大小及其分布的描述[4].PIV在測量流場的過程中,也是靠激光照亮示蹤粒子產生散射光信號,致使 CCD 獲得粒子圖像,再進行互相關計算得到速度矢量場.所以,如果以絮體為示蹤粒子,CCD獲取到的粒子圖像就是絮體圖像,對粒子圖像進行分析,就能得到絮體形貌特征及粒徑大小的直觀觀測結果.

圖3 各轉速下不同絮凝時刻絮體的形貌觀測結果對比(PAC為絮凝劑)Fig.3 Comparison between the morphological images of micro flocs at different velocity field and the different time(The flocculant is PAC)

以PAC為絮凝劑進行絮凝試驗,將絮凝劑與 高嶺土形成的絮體作為示蹤粒子,利用PIV得到各轉速下絮凝沉淀過程中的絮體圖片.圖中每一小幅圖片均是等比例截取原圖的 1/4,組合得到圖3.即圖3 所有圖片均是剪切掉原PIV粒子圖像的多余部分而得到,與PIV原圖有相同比例,相同的絮體特征.

由圖3可看出,對于每一行,左半部分的絮體粒徑均較大,顆?？倲瞪?右半部分的絮體顆粒較小,且越往右,粒徑越小,顆?？倲翟蕉?隨著內筒轉速的變化,10r/min以內所形成的絮體顆粒細小,雖能產生個別較大顆粒,但顆?？倲递^少;10～20r/min之間所形成的絮體雖然有些顆粒較大,但粒徑分布并不均勻,還存在很多較細小的顆粒;20～60r/min之間,絮體顆粒粒徑雖然沒有太大的變化,但細小顆粒數量逐漸減少,粒徑分布較均勻,顆粒總數增多;60r/min以后,形成的絮體顆粒細小,不存在大顆粒,隨著內筒轉速的的增高,顆粒粒徑越來越小,顆粒總數越來越多.對于每一列,即在同一個轉速條件下,隨著絮凝進程的推進,所形成的絮體顆粒粒徑越來越大,細微顆粒數量不斷減少,顆?？倲狄膊粩鄿p少.

由此可見,內筒轉速較小時,如小于 10r/min,絮凝劑很難相互結合形成大顆粒絮體,此時觀察到的只是松散的絮體形貌;當內筒轉速過大時,如大于100r/min后,形成的絮體則被打碎成了細小的絮體顆粒,轉速越高,絮體破碎越厲害,絮體顆粒越細小;而當內筒轉速在 20～60r/min 范圍內時,絮體顆粒粒徑最大,粒徑分布最均勻,而且在此范圍內,其絮凝沉淀效果均較好,靜沉后所形成的絮體顆粒較大且原液中剩余顆?？倲递^少,濁度去除率較高,高于60%.

2.3 絮凝過程中環隙子午面速度矢量場

對上述絮體圖像相應粒子圖像進行分析,即得到各轉速下環隙流場的速度矢量圖.通過全面分析比較,選取部分內筒旋轉速度下的瞬時速度矢量場,如圖4所示,揭示絮凝流場中的渦形態與絮體形態之間的關系.

由圖 4可看到,內筒轉速在 20r/min以內,渦由松散的獨立式逐漸轉變為結合緊密且相互間有液體傳遞的半閉合式;內筒轉速在 20～40r/min之間,相鄰渦與渦之間體積、形態差別對比變大,一個體積大,一個體積小,一個松散,一個相對緊密,也可理解為所形成的渦體積隨著時間發生周期性的膨脹和收縮,渦中心位置也隨時間發生徑向和軸向振動;渦間液體傳遞力度較強,有明顯的主流液體移動速度方向;內筒轉速在 40～60r/min之間,相鄰渦與渦之間體積、形態差別對比逐漸變小,渦間液體傳遞力度減弱,主流液體的移動減弱;內筒轉速在 60～100r/min之間,主流液體移動基本消失,環隙中逐漸形成大小均勻,相互較為獨立的、完整的完全閉合式渦旋;內筒轉速大于100r/min以后,規律的渦分布逐漸受到干擾,渦旋的完整性逐漸被破壞,相鄰渦旋相互連通,成為敞開式渦旋,或大渦旋內部產生一些不規則小渦旋,隨著內筒轉速增大,這種不規則狀態越來越強,直至最后整個環隙變成雜亂無章的紊流.

2.4 討論

為了更好地反應流場形態對絮凝過程的影響,實驗過程中還采用了 FeCl3在各種轉速下都做了重復實驗,并對實驗過程采用相同的分析步驟,獲得了用 FeCl3為絮凝劑的混凝條件下的絮體圖像和混凝流場矢量圖,結果表明,2組實驗所獲得的結果幾乎完全一致,而且其絮凝效果與在其它實驗過程中得到的結論相同[10-11].

PAC等無機高分子絮凝劑在絮凝過程中主要以架橋和表面吸附作用為主,當其進入水體后的瞬間需要強烈攪拌,使之迅速而均勻地分散于水體中,促使絮體快速形成.而在絮凝體形成之后,攪拌速度過快,則會將形成的絮凝體打碎形成細小的顆粒,從而降低絮凝效果[12].綜合圖 3～圖 4,內筒旋轉速度與絮體生長情況有重要相關性,而內筒旋轉速度變化的直接結果是混凝流場形態的變化,所以流場變化是絮體成長形貌好壞的直接原因.當內筒轉速在 20～60r/min 轉速范圍內,環隙中渦流場呈有規律的波狀膨脹和收縮變化,渦間還存在主流液體.這種渦結構有利于絮體顆粒的結合生長,形成絮體顆粒粒徑最大,而且在此范圍內,粒徑分布最均勻,游離的細小顆粒較少;靜沉后所形成的絮體顆粒較大且原液中剩余顆?？倲递^少,其絮凝沉淀效果也較好,濁度去除率較高,均高于 60%.原因可能是在這種流態下,環隙中主流液體在渦間的移動和渦旋周期性地膨脹收縮會增大或減小渦內絮體顆粒的運動速度,甚至改變其運動方向,造成局部瞬時速度梯度增大,引起顆粒之間更頻繁的相互碰撞而產生出較大絮體顆粒;而當轉速低于或高于 20～60r/min轉速范圍時,環隙中所形成的渦旋是獨立的、或全開放式的、流場中的絮體顆粒要么輕柔地在一個渦旋中運動;要么劇烈地隨水流從一個開放式渦旋流向另一個開放式渦旋;不是導致攪拌強度很低,使顆粒碰撞的幾率降低而生成較少的絮體顆粒,就是導致攪拌強度太過劇烈,使絮體顆粒被打碎,因而也就很難沉降了.

圖4 各轉速下瞬時速度矢量場對比 (PAC為絮凝劑)Fig.4 Comparison between the maps of the instantaneous velocity vectors at different rotation speeds(The flocculant is PAC)

研究顯示[7-11],在 20～60r/min轉速范圍內,Taylor-Couette反應器環隙間產生的渦為波狀渦,這種渦隨時間發生周期性的膨脹和收縮,渦心位置也會隨時間發生徑向和軸向震動,渦間液體傳遞力度較強,有明顯的主流液體移動速度方向,所以可以說,混凝過程中波狀渦機制有利于顆粒的相互碰撞,并導致較高的混凝效率,在實際應用中,宜盡量創造有利于波狀渦形成的條件.

3 結論

3.1 混凝過程中合適的流場形態可以使絮凝劑的作用得以充分發揮,使混凝生成的絮體顆粒較大,粒徑分布均勻,從而大幅提高絮凝效果.

3.2 混凝過程中渦流場的周期性變化、渦間存在液體傳遞的波狀渦結構有利于絮體顆粒的結合生長,并帶來較高的絮凝沉淀去除率.

3.3 PIV技術在測量流場的同時能夠較好地反映混凝過程中微絮體的形貌變化特征,從而實現對絮凝環境的原位觀測與表征.

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