慣性效應在混凝土中的動力學作用
2008-06-30 00:00
| 摘要：本文首次從湍流微結構的尺度即亞微觀尺度對混凝的動力學問題進行了研究，提出了慣性效應是絮凝的動力學致因；提出了湍流剪切力是絮凝反應中決定性的動力學因素，并建立了絮凝的動力相似準則。文章指出擴散過程應分為宏觀擴散與亞微觀擴散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴散的動力學致因是慣性效應，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。 關鍵詞：混凝土 動力學 一、絮凝動力學的研究現(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）是混凝劑水解后產生的高分子絡合物形成吸咐橋的聯(lián)結能力，這是由混凝劑的性質決定的；（2）是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進行合理的有效碰撞，這是由設備的動力學條件所決定的。導致水流中微小顆粒碰撞的動力學致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學科認為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學致因，并用下面公式計算速度梯度：（略） 式中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出的，它是否適用于流態(tài)，一直是人們所關心的湍流的絮凝池。這個問題一直未有結論。實際上，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遠小于上式計算的數(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世紀呢？因為上面公式中P（單位水體能耗）這一項與湍流中的微渦旋有著密切關系，從后面文章內容我們可以看到，正是這些湍流的微結構決定了水中微小顆粒的動力學特性和它們之間的碰撞。通過幾十年的工程實踐人們積累了上面公式大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，用此來指導工程設計當然不會出現(xiàn)大的問題。但上述公式對改善現(xiàn)有的絮凝工藝并沒有任何價值。因為提高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，水流速度應不斷減小。 另一方面我們可以舉出一個完全與速度梯度理論相矛盾的絮凝工程實例。網(wǎng)格反應池在網(wǎng)格后面一定距離處水流近似處于均勻各向同性湍流狀態(tài)，即在這個區(qū)域中不同的空間點上水流的時平均速度都是相同的，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)格絮凝反應池速度梯度為零，其反應效率應最差。事實恰好相反，網(wǎng)格反應池的絮凝反應效果卻優(yōu)于所有傳統(tǒng)反應設備。這一工程實例充分說明了速度梯度理論遠未揭示絮凝的動力學本質。 在絮凝的研究中，還有一個湍流研究學派用湍流擴散的時平均議程去計算顆粒碰撞次數(shù)。最后得到的結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散時平均方程，因此就不能揭示湍流微結構在絮凝中的動力學作用。在諸如象絮凝動力學的研究中，把研究領域僅僅劃分為微觀與宏觀已不夠了。因為絮凝中的顆粒碰撞是與湍流中的微結構的動力作用密切相關，而微結構尺度，所以微觀的分子運動完全不受湍流微結構影響，只與熱力學系數(shù)有關。而宏觀流動計算中人們關注的是時平均速度，時平均壓強、時平均濃度，無法去揭示湍流微結構在絮凝中的動力學作用。因此在絮凝動力學的研究中應從湍流微結構的尺度，即從亞微觀尺度上進行研究。上述絮凝的湍流研究學派正是因為采用統(tǒng)計時平均的宏觀流動計算方法，所以就無法揭示絮凝的動力學本質。 二、絮凝的動力致因 有人認為湍流中顆粒碰撞是由湍流脈動造成的。這種認識不很確切。實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。人們用流體力學傳統(tǒng)的研究方法歐拉法進行研究，即在固定的空間點觀察水流運動參數(shù)隨時間變化，這樣不同時刻有不同大小的湍流渦旋的不同部位通過固定的空間點，因此在固定的空間點上測得的速度呈現(xiàn)強烈的脈動現(xiàn)象。如果我們跟隨水流質點一起運動，去觀察其運動情況，就會發(fā)現(xiàn)水體質點的速度變化是連續(xù)的，根本不存在脈動。實際上水是連續(xù)介質。水中的速度分布是連續(xù)的，沒有任何跳躍。水中兩個質點相距越近其速度差越小，當兩個質點相距為無究小時，其速度差亦為無窮小，即無速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運動，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生相對運動，這樣水流就會對顆粒運動產生水力阻力，設顆粒的形狀為球形，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可按下式計算（略） 式中po為球形顆粒密度。如果略去因顆粒尺寸不同而造成的密度變化，由上式可見單位質量球形顆粒所受水力阻力隨尺度增大而減少；即顆粒越大單位質量所受水力阻力越小。上面講座雖然是針對球形的，但對非球形顆粒同樣適用。由于不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度之間就產生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產生相對運動呢？最好的辦法是改變水流的速度。因為水慣性（密度）與顆粒的慣性（密度）不同，當水流速度變化時它們的速度變化（加速度）也不同，這就使得水與其中固體顆粒產生了相對運動，為相鄰不同尺度顆粒碰撞提供了條件。 改變速度方法有兩種：（1）是改變水流時平均速度大小，水力脈沖澄清池，波形反應池、孔室反應池以及濾池的微絮凝作用，主要就是利用水流時平均速度變化造成的慣性效應來進行絮凝；（2）是改變水流方向，因為湍流中充滿著大大小小的渦旋，因此水流質點在運動時不斷地在改變自己的運動方向。當水流作渦旋運動時在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產生相對運動，為不同尺度顆粒沿流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質量所受離心慣性力是不同的。這個作用將增加不同尺度顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的幾率。下面來討論這個問題。在湍流渦旋中取一個小的脫離體，顯然沿徑向方向作用在該脫離體上有兩個力：一是離心力；二是壓力的合力。兩者相平衡。如果把坐標原點取在運動的渦旋的中心上，則可寫成如下方程：（略） 由上面的理論論述可以看出，如果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。這可以在絮凝池的流動通道上增設多層小孔眼格網(wǎng)的辦法來實現(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。不設網(wǎng)格的絮凝池湍流的最大渦旋尺度與絮凝池通道尺度同一數(shù)量級。當增設格網(wǎng)之后，最大渦旋尺度與網(wǎng)眼尺度同一數(shù)量級。 增設小孔眼格網(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，也是慣性效應最強，顆粒碰撞幾率最高的區(qū)段；（2）小孔眼格網(wǎng)之后湍流的渦旋尺度大幅度減少。微渦旋比例增強，渦旋的離心慣性效應增加，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，礬花產生強烈的變形，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。 三、礬花的合理的有效碰撞 要達到好的絮凝效果除有顆粒大量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞，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。如果在絮凝中顆粒凝聚長大得過快會出現(xiàn)兩個問題：（1）礬花長得過快其強度則減弱，在流動過程中遇到強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)象稱之為過反應現(xiàn)象，應該被絕對禁止；（2）一些礬花過快的長大水中礬花比表面積急劇減少，一些反應不完善的小顆粒失去了反應條件，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雖然密實，但當其達到沉淀池時，還有很多顆粒沒有長到沉淀尺度，出水水質也不會好。由此看到在絮凝池設計中應控制礬花顆粒的合理長大。 四、礬花的顆粒尺度與其密實度取決兩方面因素 其一是混凝水解產物形成的吸咐架橋的聯(lián)結能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個力的對比關系決定了礬花顆粒尺度與其密實度。吸咐架橋的聯(lián)結能力是由混凝劑性質決定的，而湍流的剪切力是由構筑物創(chuàng)造的流動條件所決定的。如果在絮凝池的設計中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。 應該指出，水處理領域內流動的動力相似并沒有真正建立起來。很多的小試、中試的試驗結果在生產試驗上無法重現(xiàn)，甚至完全失真。這其中的根本原因是由于尺度放大后其流態(tài)發(fā)生了變化，甚至是根本的變化。由于人們對其決定性的動力學因素認識不清，就不知控制什么樣的動力學因素，故此也就不能真正建立起水處理工藝中的動力相似。由上面討論我們看到湍流剪切力是絮凝過程中的控制動力學因素，如果在大小兩個不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那么具有同樣聯(lián)結強度的礬花顆粒可以在兩個不同尺度的絮凝過程中同時存在。這在某種意義上也就實現(xiàn)了兩個絮凝過程絮凝效果的相似。湍流剪切力是由湍流渦旋造成的。設想一個礬花位于湍流渦旋之中，由于此渦旋外側流速大，內側流速小，因此位于其中的礬花顆粒受剪，此剪切力主要取決于渦旋尺度與渦旋強度，顯然渦旋尺度越小，渦旋強度越大，渦旋對礬花的剪切作用越強。湍流中充滿著大量大大小小的渦旋，因此渦旋尺度是隨機的。這里所說的渦旋尺度可用均勻各向同性湍流中渦旋尺度統(tǒng)計特征物理量渦旋積分比尺代表，可以認為它是湍流中最大渦旋的特征尺度。它主要取決于流動空間尺度與流動速度兩個因素。流動空間越大，渦旋尺度越大；在同一空間尺度下流動速度越大，渦旋尺度越小，由此可以認為湍流剪切力與流動空間尺度成反比，與流動速度成正比。而渦旋強度與流動速度成正比，這樣就有下面關系： 五、結論 本文首次從湍流微結構的尺度（即亞微觀尺度）討論了流動水體中顆粒碰撞（物相接觸）和混凝劑水解產物的亞微觀傳質這兩個物理過程及其動力學致因，這正是混凝過程和多相流動物系反應工藝中，其反應不是化學反應就是生化反應。眾所知，化學反應速度非常迅速，生化反應在生物酶存在的情況下，其反應速率也遠大于物相接觸，特別是遠大于亞微觀傳質的速率。因此在這些工藝過程中提高物相接觸和亞微觀傳質速率，就成為提高工藝效率和工藝品質的關鍵?？梢灶A見，本文所揭示的自然規(guī)律必將對其相關領域的工藝進步起到重要的推動作用。 |
| 原作者： 王紹文 |
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