论文作者：谭章荣1，秦祖群1，孙友勋2，高乃云2，范瑾初2
摘要：由于Camp和Stein的速度梯度公式G值存在理论及应用上的缺陷，首次针对异波折板絮凝池，提出单位造涡强度--Fs这一宏观控制指标。由于折板单元的水力特征决定了其本身的造涡强度，将Fs与絮凝效果有机地结合起来，在宏观上就便于通过控制折板单元的水力特征来达到对絮凝效果进行控制的目的。
关键词：异波折板絮凝池 单位造涡强度
折板絮凝池是在隔板絮凝池的基础上发展起来的。长期以来，絮凝控制指标均是建立在G值或絮凝能耗的基础上的。鉴于G值在理论和实践上存在缺陷，在本研究中，对异波折板絮凝池的絮凝控制指标不采用G值，而是提出单位造涡强度这一宏观控制指标，这一新探索对传统的G值是一个突破。
1 单位造涡强度的提出与探讨
1.1 异波折板模型的建立
取异波折板絮凝池的一个渐扩和渐缩段组成的一个折板单元(图1)，水流在折板单元内的流动呈紊动状态，形成对称涡旋(图2A)或单侧涡旋(图2B)。絮凝池是由众多折板单元组成的，从而完成絮凝过程。
1.2 絮凝控制指标--单位造涡强度FS
紊动由许多大小不等的涡旋或涡体所组成，大小不同的涡体产生频率(α)不等或波长(λ)不同的脉动。大尺度的涡旋逐渐变为较小尺度的涡旋，并将能量传递给小尺度涡旋，紊动能量最后通过小尺度涡旋转变为热能而散失［1］。许多专家都认为只有尺度与絮体尺寸相近的涡旋才会促使颗粒碰撞并导致絮凝。
紊流脉动能谱如图3所示。
通过对紊流脉动能谱的研究，可以认为除了大涡旋(Ⅰ区)主要起扩散作用外，由于实际水流中颗粒尺寸不等，涡旋尺度又随机变化，故而自载能涡旋区(Ⅱ)至统计平衡区(Ⅲ)的所有涡旋均对颗粒碰撞有效。测量涡旋微尺度、脉动动能以及有效能耗还很困难，直接从微观上研究絮凝速率，在技术上有难度，故采用宏观指标来反映絮凝效果。在此宏观指标中，实际上隐含着涡旋变化及能量的传递和衰减，即涡旋在自(Ⅰ)区→(Ⅱ)区→(Ⅲ1)区→(Ⅲ2)区的衰减历程中，由每一个折板单元絮凝区(渐扩段 渐缩段)所造成的涡旋既不能只停留在(Ⅰ)区范围内，又不至于快速衰减消失(Ⅲ2区，即粘性损耗)，这就需要从宏观上控制每一个折板单元絮凝区的紊流脉动强度变化。基于这一认识，提出了一个针对异波折板单元的絮凝效果控制指标--单位造涡强度FS(暂名，对一个单位絮凝区而言)来控制絮凝效果：
式中 h--渐扩段或渐缩段高度，m
l--折板板长，m
α--折板倾角
k--脉动强度常数，仅与流速及水温有关
FS--单位造涡强度，1/s；
v1--波峰流速，m/s
v2--波谷流速，m/s
根据式(1)，若控制折板单元参数(板长l、夹角α、流速v1和v2)在最优范围内，即FS在最优区域，或存在(FS)opt值，可使折板单元产生大量适合絮凝颗粒碰撞的涡旋，促进絮凝效果的提高。这样就可以通过控制折板单元的单位造涡强度这一参数而达到对絮凝效果的控制。为防止絮凝体的破碎，FS的数值也要沿程适当降低。
应当说明，式(1)仅局限于目前折板絮凝池所取设计流速范围内，尚不能任意外延。若v1和v2过大或过小，则会造成絮体破碎或絮凝难以进行。
与速度梯度G值相比，用单位造涡强度FS控制更为简便，在一定流量下只要折板长度、宽度及间距确定，则必有与之相对应的FS，调整折板单元的参数组合使FS在最优范围内，即可达到理想的絮凝效果。
2 试验装置与方法 2.1 试验装置
折板模型用玻璃制作，硅胶填缝。模型共四套(M1，M2，M3和M4)，设计及运行参数见表1。
表1 模型试验结果| 模型编号 | 板长
（mm） | 夹角
（°） | 流量
（m3/s） | 波峰流速
υ1
（m/s） | 波谷流速
υ2
（m/s） | R | 单位
造涡强度
Fs(l/s) | 沉淀水
浊度
（NTU） | 絮凝时间
（min） | 平均浊度
去除率
（%） | 单元数 | 单元
除浊率
（%） | η
（%） |
| M1 | 100 | 45 | 0.54 | 0.3 | 0.0198 | 0.20 | 4.41 | 3.17～3.78 | 3.17 | 90.81 | 50 | 1.82 | 31.9 |
| M2 | 100 | 60 | 0.54 | 0.3 | 0.0273 | 0.20 | 3.53 | 6.31～8.90 | 2.89 | 81.92 | 50 | 1.64 | 61.6 |
| M3 | 150 | 45 | 0.54 | 0.3 | 0.0125 | 0.20 | 3.00 | 14.4～22.7 | 3.01 | 65.47 | 22 | 2.98 | 24.2 |
| M4 | 150 | 60 | 0.54 | 0.3 | 0.0188 | 0.20 | 2.41 | 13.2～18.1 | 2.70 | 69.09 | 27 | 2.59 | 23.5 |
| M1 | 100 | 45 | 0.72 | 0.4 | 0.0264 | 0.20 | 5.89 | 9.01～16.9 | 2.38 | 77.91 | 44 | 1.75 | 30.7 |
| M2 | 100 | 60 | 0.72 | 0.4 | 0.0364 | 0.20 | 4.70 | 8.87～13.2 | 2.17 | 77.83 | 51 | 1.56 | 30.0 |
| M3 | 150 | 45 | 0.72 | 0.4 | 0.0180 | 0.20 | 4.00 | 13.8～17.6 | 2.26 | 67.80 | 21 | 3.23 | 26.2 |
| M4 | 150 | 60 | 0.72 | 0.4 | 0.0250 | 0.20 | 3.21 | 11.6～14.7 | 2.02 | 76.50 | 27 | 2.83 | 25.6 |
| 注 原水浊度约50～60NTU，水浊12～16℃，加药量15mg/L。 |
2.2 测试指标
原水采用自来水加高岭土配制，絮凝剂为聚合硫酸铁。絮凝效果采用絮凝沉淀后平均浊度去除率、[HJ]单元去除率或单位体积去除率表示(ηv)。平均浊度去除率指一定折板单元数内的平均去除率；单元去除率为平均浊度去除率除以单元数；单位体积去除率等于单元去除率除以一个单元的体积。采用ηv较合理，因为达到相同除浊率，ηv值大的，可使池体积减小。
3 试验结果
单位造涡强度FS中的脉动强度常数k，文献［2］提到缓变流渠道的k＝0.15～0.18。异波折板单元中，由于流态复杂，假定k在0.1～0.4范围内，由此计算出FS值。计算结果表明(计算过程从略)，k值在0.1～0.4范围内变化时对FS的影响很小。故研究中取k＝0.20。M1～M4的试验结果见表1及图4。
由图4可见，在FS≤5.0/s时，ηv随FS的增大而有所增加，在FS＞5.0/s时，ηv又降低，在(3.5～5.0)/s之间，ηv值较高，即模型的单位体积除浊效果较好。比较而言，又以模型M1在波峰流速0.3 m/s的工况下为最佳，ηv值达31.9%。
综上所述，异波折板絮凝模型单元的第一段适宜单位造涡强度FS为(3.5～5.0)/s，模型最佳折板单元絮凝参数为：l＝100 mm，α＝45°，v1＝0.3 m/s。
推论：以上结果是对絮凝的第一段而言，若考虑絮凝沿程分为三段，建议降速絮凝的第二段和第三段所对应的FS可为：FS2＝(2.5～3.5)/s，FS3＝(1.0～2.0)/s，且需进一步试验验证。
4 FS应用于实际生产
生产设备采用的板长大，而夹角及波峰流速和波谷流速与模型相同，故设计的模型与原型是变态比例，不能简单地直接用雷诺相似或弗诺德相似把模型试验结果推广到原型。
实际生产中折板板长通常取500 mm，夹角为45°或60°，第一段波峰流速0.3 m/s，波峰间距0.25 m，则按照弗诺德相似，板长比例＝1/5，波峰间距比例＝1/25，综合长度比例为（1/125）0.5＝1/11.18，速度比例＝(1/11.18)0.5，FS＝速度/长度，其比例应为≈11.180.5。
因为模型流速与原型保持一致，因此实际絮凝池的FS应为试验模型的1/11.18，也就是实际生产设备的FS约比本试验中的模型的数值小一个数量级。即第一档FS1＝(0.35～0.50)/s，第二档FS2＝(0.25～0.35)/s，第三档FS3＝(0.10～0.20)/s。
以镇江市金西水厂的异波折板絮凝池为例，表2给出其沿程的FS值(设计值)。
表2 金西水厂Fs设计值| 档次 | 波峰间距
（m） | 波谷间距
（m） | 板长l
（m） | 夹角
（°） | 波峰流速
（m/s） | 波谷流速
（m/s） | k | Fs
(l/s） |
| 1 | 0.25 | 0.74 | 0.49 | 60 | 0.3000 | 0.1014 | 0.20 | 0.56 |
| 2 | 0.35 | 0.84 | 0.49 | 60 | 0.2143 | 0.0893 | 0.20 | 0.37 |
| 3 | 0.50 | 0.99 | 0.49 | 60 | 0.1500 | 0.0758 | 0.20 | 0.23 |
| 4 | 0.65 | 1.14 | 0.49 | 60 | 0.1154 | 0.0658 | 0.20 | 0.16 |
可见，金西水厂的FS基本上在合理的范围内，与建议值相差不大。
5 结语
通过模型试验，得出异波折板絮凝单元的适宜单位造涡强度为：第一档FS1＝(0.35～5.0)/s，考虑沿程降速絮凝则可推断第二档的FS2＝(2.5～3.5)/s，第三档的FS3＝(1.0～2.0)/s。模型试验中第一档絮凝效果最好的折板单元参数为：l＝100 mm，α＝45°，v1＝0.3 m/s。模型试验的结果推广于生产设备，初步确定FS减小一个数量级，即第一档FS1＝(0.35～0.50)/s，第二档FS2＝(0.25～0.35)/s，第三档FS3＝(0.10～0.20)/s。
参考文献：
［1］夏震寰.现代水力学(三)紊动力学［M］.北京：高等教育出版社，1992.
［2］泄水建筑物水力计算手册［M］.陈肇和等译.水力水电规划设计总院，华北水电学院北京研究生部.1993.
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