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(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

粒子圖像速度場儀(PIV)是一種全場、動態(tài)、非接觸測量技術(shù),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(fù)雜和非穩(wěn)定流的總體結(jié)構(gòu),目前廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)領(lǐng)域的研究,主要用于水、風(fēng)、火焰燃燒及噴射等各種流場測量與顯示[1],在水處理領(lǐng)域混凝過程方面的研究涉及較少.

混凝反應(yīng)是混凝工藝最重要的環(huán)節(jié),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(chǎn)物,其微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、比較脆弱、易碎和不規(guī)則等特性[2-3],極易在測量過程中由于輕微碰觸導(dǎo)致其形貌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使其形狀失真,給研究結(jié)果帶來干擾,所以很難有合適的研究方法對絮體的形成環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測.關(guān)于絮體監(jiān)測,常用激光粒度分析儀、FCD水下攝像系統(tǒng)、DH-CPAS顆粒圖像系統(tǒng)等進(jìn)行在線監(jiān)測[4-5],但是,當(dāng)絮凝反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特殊時,常規(guī)的水下在線監(jiān)測成像系統(tǒng)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(qū)域,讓區(qū)域中的示蹤粒子產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的散射光,PIV圖像拍攝系統(tǒng)才能記錄下示蹤粒子圖像,再進(jìn)行互相關(guān)計(jì)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?yán)没炷^程中產(chǎn)生的絮體粒子作為示蹤粒子,在混凝的同時用 PIV進(jìn)行流場測量,對絮體顆粒在混凝流場中的聚集過程進(jìn)行在線監(jiān)測,經(jīng)過分析、計(jì)算及比較,獲取各個時刻混凝過程中絮體的運(yùn)動信息,進(jìn)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(tǒng)的絮凝反應(yīng)器[6],其結(jié)構(gòu)比較特殊,由兩個同心轉(zhuǎn)筒構(gòu)成,在外筒固定,內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)時,兩筒間隙中的液體會在內(nèi)筒的驅(qū)動作用下發(fā)生流動.本研究應(yīng)用 Taylor-Couette反應(yīng)器進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn),通過控制內(nèi)筒轉(zhuǎn)速,混凝劑與水中顆粒物就能在不同的環(huán)隙流場作用下形成絮體,用PIV對各種流態(tài)下的速度場及絮體顆粒在環(huán)隙流場中的聚集過程進(jìn)行在線監(jiān)測,經(jīng)過分析、計(jì)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(shí)現(xiàn)對湍流絮凝絮過程中絮體形貌與流場結(jié)構(gòu)的同步觀測與表征.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備

Taylor-Couette反應(yīng)器由本實(shí)驗(yàn)室自制.旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒由不銹鋼制成,直徑 2ri=75.0mm;固定外筒由透光有機(jī)玻璃制成,直徑 2r0=100.0mm;環(huán)隙寬度 d=r0-ri=12.5mm;內(nèi)外筒半徑比 η = r0/ri=0.75;筒高L=440.0mm;筒高與環(huán)隙寬度比值Г =L /(r0-ri) =35.2.內(nèi)筒由ABB電機(jī)驅(qū)動.

PIV系統(tǒng)由丹麥Dantec Dynamics公司生產(chǎn),組成部分主要有雙脈沖 Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相機(jī)、Flowmap同步器(HUB)、計(jì)算機(jī)及PIV軟件等.將PIV系統(tǒng)應(yīng)用于Taylor-Couette反應(yīng)器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

當(dāng)Taylor-Couette反應(yīng)器內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)角速度從零開始增加時,環(huán)隙流體會經(jīng)歷一系列流態(tài)的轉(zhuǎn)變,先后出現(xiàn)層流泰勒渦流動(TWF)、波狀渦流動(WVF)、調(diào)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(huán)隙的寬度近似.以上流態(tài)的轉(zhuǎn)變分別出現(xiàn)于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re的某特定值.Re定義式如下:

圖1 Taylor-Couette 流場測量實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of the flow field measurement in Taylor-Couette

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

式中:n為內(nèi)筒轉(zhuǎn)速,其單位為r/min.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 混凝實(shí)驗(yàn)與流場測量 為避免光學(xué)畸變,將內(nèi)筒與外筒一并置于一個方形的有機(jī)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(yīng)器環(huán)隙子午面上,再將 CCD相機(jī)設(shè)置在與激光器發(fā)出的片光垂直的方向上,以獲取激光面上流場內(nèi)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(yīng)器環(huán)隙中,再加入7.5mL高嶺土懸濁儲備液,以內(nèi)筒 500r/min的轉(zhuǎn)速強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)混合,作為處理水樣,此時水樣濁度穩(wěn)定在100NTU左右.按照預(yù)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(xù)以500r/min的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)2min,使PAC混合均勻,并與水中膠體微粒迅速發(fā)生脫穩(wěn)凝聚作用而形成初級微絮體顆粒;緊接著以不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速緩慢旋轉(zhuǎn) 10min,以進(jìn)行充分的絮凝反應(yīng).此時,對應(yīng)每一個轉(zhuǎn)速,均在絮凝反應(yīng)過程進(jìn)行到第4,6,8,9min及在靜沉9min(即10min的靜沉快結(jié)束時)時分別啟動 PIV 拍攝一組粒子圖像,并記錄圖片數(shù)據(jù),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(yīng)器環(huán)隙子午面如圖1中陰影部分所示.

每一個轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的絮凝過程均啟動 PIV拍攝 5次,所以對每個確定的內(nèi)筒轉(zhuǎn)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(shí)際絮體粒子是圖上粒子的5倍大.將這些經(jīng)由PIV系統(tǒng)CCD相機(jī)獲取到的粒子圖像作為混凝反應(yīng)過程在不同流態(tài)下、不同絮凝時間產(chǎn)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(yīng)用 Flowmap軟件系統(tǒng)中的 Adapt Correlation命令進(jìn)行自適應(yīng)互相關(guān)分析,得到各轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(guān)鍵幀抽取的問題是非常重要的一環(huán).按照絮凝實(shí)驗(yàn)步驟的順序,對應(yīng)每一個轉(zhuǎn)速,將絮凝反應(yīng)過程進(jìn)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(jìn)行逐一對比檢測和分析,經(jīng)過察看各幅圖像以及對多種圖像組合進(jìn)行分析比對后,決定選取部分典型流場所對應(yīng)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(jìn)而進(jìn)一步分析絮凝過程中絮體的形態(tài)變化特征.

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種絮凝劑在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn),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(nèi)筒轉(zhuǎn)速的升高先升高,后降低,在 20～60r/min范圍內(nèi),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(zhuǎn)速條件下絮體形貌變化

關(guān)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(jìn)行在線監(jiān)測.根據(jù)激光光束在絮體顆粒表面散射信號的強(qiáng)弱進(jìn)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(chǎn)生散射光信號,致使 CCD 獲得粒子圖像,再進(jìn)行互相關(guān)計(jì)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(jìn)行分析,就能得到絮體形貌特征及粒徑大小的直觀觀測結(jié)果.

圖3 各轉(zhuǎn)速下不同絮凝時刻絮體的形貌觀測結(jié)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(jìn)行絮凝試驗(yàn),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(zhuǎn)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?shù)少,右半部分的絮體顆粒較小,且越往右,粒徑越小,顆?？倲?shù)越多.隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的變化,10r/min以內(nèi)所形成的絮體顆粒細(xì)小,雖能產(chǎn)生個別較大顆粒,但顆粒總數(shù)較少;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(xì)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(xì)小顆粒數(shù)量逐漸減少,粒徑分布較均勻,顆?？倲?shù)增多;60r/min以后,形成的絮體顆粒細(xì)小,不存在大顆粒,隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的的增高,顆粒粒徑越來越小,顆?？倲?shù)越來越多.對于每一列,即在同一個轉(zhuǎn)速條件下,隨著絮凝進(jìn)程的推進(jìn),所形成的絮體顆粒粒徑越來越大,細(xì)微顆粒數(shù)量不斷減少,顆?？倲?shù)也不斷減少.

由此可見,內(nèi)筒轉(zhuǎn)速較小時,如小于 10r/min,絮凝劑很難相互結(jié)合形成大顆粒絮體,此時觀察到的只是松散的絮體形貌;當(dāng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速過大時,如大于100r/min后,形成的絮體則被打碎成了細(xì)小的絮體顆粒,轉(zhuǎn)速越高,絮體破碎越厲害,絮體顆粒越細(xì)小;而當(dāng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 20～60r/min 范圍內(nèi)時,絮體顆粒粒徑最大,粒徑分布最均勻,而且在此范圍內(nèi),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?shù)較少,濁度去除率較高,高于60%.

2.3 絮凝過程中環(huán)隙子午面速度矢量場

對上述絮體圖像相應(yīng)粒子圖像進(jìn)行分析,即得到各轉(zhuǎn)速下環(huán)隙流場的速度矢量圖.通過全面分析比較,選取部分內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)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(tài)與絮體形態(tài)之間的關(guān)系.

由圖 4可看到,內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 20r/min以內(nèi),渦由松散的獨(dú)立式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合緊密且相互間有液體傳遞的半閉合式;內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 20～40r/min之間,相鄰渦與渦之間體積、形態(tài)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(fā)生周期性的膨脹和收縮,渦中心位置也隨時間發(fā)生徑向和軸向振動;渦間液體傳遞力度較強(qiáng),有明顯的主流液體移動速度方向;內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 40～60r/min之間,相鄰渦與渦之間體積、形態(tài)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(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 60～100r/min之間,主流液體移動基本消失,環(huán)隙中逐漸形成大小均勻,相互較為獨(dú)立的、完整的完全閉合式渦旋;內(nèi)筒轉(zhuǎn)速大于100r/min以后,規(guī)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(nèi)部產(chǎn)生一些不規(guī)則小渦旋,隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速增大,這種不規(guī)則狀態(tài)越來越強(qiáng),直至最后整個環(huán)隙變成雜亂無章的紊流.

2.4 討論

為了更好地反應(yīng)流場形態(tài)對絮凝過程的影響,實(shí)驗(yàn)過程中還采用了 FeCl3在各種轉(zhuǎn)速下都做了重復(fù)實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明,2組實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果幾乎完全一致,而且其絮凝效果與在其它實(shí)驗(yàn)過程中得到的結(jié)論相同[10-11].

PAC等無機(jī)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(dāng)其進(jìn)入水體后的瞬間需要強(qiáng)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(xì)小的顆粒,從而降低絮凝效果[12].綜合圖 3～圖 4,內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)速度與絮體生長情況有重要相關(guān)性,而內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)速度變化的直接結(jié)果是混凝流場形態(tài)的變化,所以流場變化是絮體成長形貌好壞的直接原因.當(dāng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)速在 20～60r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),環(huán)隙中渦流場呈有規(guī)律的波狀膨脹和收縮變化,渦間還存在主流液體.這種渦結(jié)構(gòu)有利于絮體顆粒的結(jié)合生長,形成絮體顆粒粒徑最大,而且在此范圍內(nèi),粒徑分布最均勻,游離的細(xì)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粒總數(shù)較少,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(tài)下,環(huán)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(nèi)絮體顆粒的運(yùn)動速度,甚至改變其運(yùn)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(chǎn)生出較大絮體顆粒;而當(dāng)轉(zhuǎn)速低于或高于 20～60r/min轉(zhuǎn)速范圍時,環(huán)隙中所形成的渦旋是獨(dú)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(yùn)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(dǎo)致攪拌強(qiáng)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(dǎo)致攪拌強(qiáng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi),Taylor-Couette反應(yīng)器環(huán)隙間產(chǎn)生的渦為波狀渦,這種渦隨時間發(fā)生周期性的膨脹和收縮,渦心位置也會隨時間發(fā)生徑向和軸向震動,渦間液體傳遞力度較強(qiáng),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(jī)制有利于顆粒的相互碰撞,并導(dǎo)致較高的混凝效率,在實(shí)際應(yīng)用中,宜盡量創(chuàng)造有利于波狀渦形成的條件.

3 結(jié)論

3.1 混凝過程中合適的流場形態(tài)可以使絮凝劑的作用得以充分發(fā)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(jié)構(gòu)有利于絮體顆粒的結(jié)合生長,并帶來較高的絮凝沉淀去除率.

3.3 PIV技術(shù)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(shí)現(xiàn)對絮凝環(huán)境的原位觀測與表征.

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