涡旋混凝给水处理技术分析 28页

'涡旋混凝给水处理技术分析“涡旋混凝给水处理技术”是根据多相流动物系反应控制惯性效应理论，结合给水工程实践，经近十年的研究而发明的。该技术涉及了给水处理中混合、絮凝反应、沉淀三大主要工艺。理论上，首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对混凝的动力学问题进行了深入了研究，提出了“惯性效应”是絮凝的动力学致因，湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素，并建立了絮凝的动力相似准则；首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，而亚微观扩散的动力学致因是惯性效应，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。由于新理论克服了现有传统给水处理技术理论上的缺陷和实践上的不足，因而导致了在给水处理技术上的重大突破。实践中，发明了列管式混合器、翼片隔板反应设备、接触絮凝斜板沉淀设备等。目前这项新技术已在全国近50多家水厂成功地推广使用，取得了明显的经济效益和社会效益。工程实践证明：此项技术用于新建水厂，工艺部分基建投资可节约20～30%；用于旧水厂技术改造，可使处理水量增加75%～100%，而其改造投资仅为与净增水量同等规模新建水厂投资的30%～50%。采用此项技术可使沉淀池出水浊度低于3度，滤后水接近0度，可节省滤池反冲洗水量50%，节省药剂投加量30%，大大降低了运行费用和制水成本。 这项技术适应广泛，不仅对低温低浊、汛期高浊水处理效果好，同时，对微污染原水具有较好的处理效果。可利用最小投资，取得最大效益，充分发挥现有供水设施的潜力，在短时间内缓解城市供水短缺状况，促进城市的经济发展。二、“涡旋混凝给水处理技术”的工作机理（一）混合混合是反应第一关，也是非常重要的一关，在这个过程中应使混凝剂水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部，使所有胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳并凝聚，这样才能得到好的絮凝效果。因为在混合过程中同时产生胶体颗粒脱稳与凝聚，可以把这个过程称为初级混凝过程，但这个过程的主要作用是混合，因此都称为混合过程。 混合问题的实质是混凝剂水解产物在水中的扩散问题，使水中胶体颗粒同时脱稳产生凝聚，是取得好的絮凝效果的先决条件，也是节省投药量的关键。传统的机械搅拌混合与孔室混合效果较差。近几年，国内外采用管式静态混合器使混合效果有了比较明显地提高，但由于人们对于多相物系反应中亚微观传质以及湍流微结构在胶体颗粒初始凝聚时的作用认识不清，故也妨碍了混凝效果的进一步提高。混凝剂水解产物在混合设备中的扩散应分为两类：(1)宏观扩散，即使混凝剂水解产物扩散到水体各个宏观部位，其扩散系数很大，这部分扩散是由大涡旋的动力作用导致的，因而宏观扩散可以短时间内完成；(2)亚微观扩散，即浊凝剂水解产物在极邻近部位的扩散，这部分扩散系数比宏观扩散小几个数量级。亚微观扩散的实质是层流扩散。因此使混凝剂水解产物扩散到水体第一个细部是很困难的。在水处理反应中亚微观扩散是起决定性作用的动力学因素。例如高浊水的处理中，混凝剂水解产物的亚微观扩散成为控制处理效果的决定性因素。由于混凝剂的水解产物向极邻近部扩散的速度非常慢，在高浊度期水中胶体颗粒数量非常多，因此没等混凝剂水解产物在极邻近部位扩散，就被更靠近它的胶体颗粒接触与捕捉。这样就形成高浊时期有些地方混凝剂水解产物局部集中，而有些地方还根本没有。混凝剂局部集中的地方矾花迅速长大，形成松散的矾花颗粒，遇到强的剪切力吸附桥则被剪断，出现了局部过反应现象。药剂没扩散到的地方胶体颗粒尚未脱稳，这部分絮凝反应势必不完善。这一方面是因为它们跟不上已脱稳胶体颗粒的反应速度，另一方面是因为混凝剂集中区域矾花迅速不合理长大，也使未脱稳的胶体颗粒失去了反应碰撞条件。这样就导致了高浊时期污泥沉淀性能很差，水厂出水水质不能保证。按传统工艺建造的水厂，在特大高浊时都需大幅度降低其处理能力，以保证出水水质。这是由于过去工程界的人们对亚微观传质现象不认识，对其传质的动力学致因也不认识，因此传统的混合设备无能力解决高浊时混合不均问题，这不仅使水厂在特大高浊时大幅度降低处理能力，而且造成药剂的严重消费和造成出水的pH值过低。 亚微观扩散究其实质是层流扩散，其扩散规律与用蜚克定律描写的宏观扩散规律完全不同。当研究尺度接近湍流微结构尺度时，物质扩散过程不一定是从浓度高的地方往低的地方扩散。在湍流水流中亚微观传质主要是由惯性效应导致的物质迁移造成的，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。我们的管式微涡初级混凝设备，就是利用高比例高强度微涡旋的离心惯性效应来克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率。生产使用证明这两种设备在高浊时混合效果良好，不仅比传统的静态混合器可大幅度增加处理能力，也大大地节省了投药量。（二）反应絮凝是给水处理的最重要的工艺环节，滤池出水水质主要由絮凝效果决定的。传统廊道反应、回转孔室反应以及回转组合式隔板反应的絮凝工艺，水在设备中停留20～30分钟，水中尚有很多絮凝不完善的小颗粒。近年来，国内出现了普通网格反应；国外推出了折板式与波形板反应设备，使絮凝效果有了比较明显地改善。但由于人们对絮凝的动力学本质认识问题，妨碍了絮凝效果的进一步提高。1.絮凝的动力学致因 絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个因素：一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；二是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们一直未搞清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因。按照这一理论，要想增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减少。絮凝的动力学致因究竟是什么？是惯性效应。因为水是连续介质。水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃，水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基本理论。 改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝；二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运转方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可见湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层翼片隔板的办法来实现。由于水流的惯性作用，使过水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。增设翼片隔板后有如下作用：(1)水流通过该区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强、颗粒碰撞几率最高的区段；(2)翼片隔板之后湍流的涡旋尺度大幅度减少，微涡旋比例增强，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；(3)由于水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过该区之后矾花变得更密实。2.矾花的合理的有效碰撞 要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。一方面，如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题：(1)矾花长得过快其强度则减弱，在流动过程中遇到强的剪切就会使吸附架桥被剪断，被剪断的吸附架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应该被绝对禁止；(2)一些矾花过快的长大会使水中矾花比表面积急剧减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些小颗粒与大颗粒碰撞几率急剧减小，很难再长大起来。这些颗粒不仅不能为沉淀池所截留，也很难为滤池截留。另一方面，絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢，矾花长得过慢虽然密实，但当其达到沉淀池时，还有很多颗粒没有长到沉淀尺度，出水水质也不会好。此由看到在絮凝池设计中应控制矾花颗粒的合理长大。矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸附架桥的联结能力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸附架桥的联结能力是由混凝剂性质决定的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。 多相流动物系反应控制理论的提出，真正建立起水处理工艺中的动力相似。使我们认识到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素，如果在大小两个不同的絮凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有同样联结强度的矾花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在，这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德数可以作为相似准则数，可以表明湍流剪切力的大小，两个尺度不同的絮凝过程当其弗罗德数相等时，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制絮凝效果的相似，因为湍流剪切力相等时两个不同的絮凝过程的矾花联结强度相等，但矾花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矾花的密实程度可用湍动度来控制，湍动度值越大表明在固定时间内流动固定空间点的涡流数量越多，涡旋强度越大，矾花也越密实。在实际工作中是不可能测定湍动度的。庆幸的是当湍流剪切力相等时，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此矾花的碰撞强度越大，形成的矾花越密实，这已为试验与生产实践的所证实。这样就可以保证把小尺度的试验结果按照弗罗德数相等来放大，放大后的絮凝效果会更好、更可靠。因而我们也可以通过科学地布设翼片隔板，通过弗罗德数这个相似准则，来控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矾花。（三）沉淀沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响出水水质。 传统的平流沉淀池优点是构造简单，工作安全可靠；缺点是占地面积大，处理效率低，要想降低滤前水的浊度就要较大地加大沉淀池的长度。浅池理论的出现使沉淀技术有了长足的进步。七十年代以后，我国各地水厂普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但经过几十年应用其可靠性远不如平流沉淀池，特别是高浊时期、低温低浊时期以及投药不正常时期。传统沉淀理论认为斜板、斜管沉淀池中水流处于层流状态。其实不然，实际上在斜管沉淀池中水流是有脉动的，这是因为当斜管中的大矾花颗粒在沉淀中与水产生相对运动，会在矾花颗粒后面产生小旋涡，这些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动。这些脉动对于大的矾花颗粒的沉淀无什么影响，对于反应不完全小颗粒的沉淀起到顶托作用，故此此也就影响了出水水质。为了克服这一现象，抑制水流的脉动，我们推动了接触絮凝斜板沉淀设备。这一设备还有下面一些优点：(1)由于间距明显减少，矾花沉淀距离也明显减少，使更多小颗粒可以沉淀下来；(2)由于间距减少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，这样沉淀池中流量分布均匀，与斜管相比明显地改善了沉淀条件；(3)这种设备由于下面几个原因其排泥性能远优于其他形式的浅池沉淀池；(a)这种设备基本无侧向约束；(b)这种设备沉淀面积与排泥面积相等；对普通斜管来说排泥面积只占其沉淀面积的一半，在特殊时期如高浊期，低温浊期或加药失误时期污泥沉降性能、特别是排泥性能明显变坏，在斜管排泥面的边缘处由于沉积数量与斜面上滑落下来的污泥数量大于排走的数量，造成污泥的堆积。所以一旦在斜管的角落处产生污泥的堆积， 这淹使瓜面减少，上升流速增加，增加了污泥下滑的顶托力，进一步增加污泥堆积。所以一旦在斜管角落处产生污泥的堆积，就产生了污泥堆积的恶性循环。这种作用开始时由于斜管上升流速的增加，沉淀效果变坏，沉后水浊度增高，当污泥堆积到一定程度时，由于上升流速的提高，可以把已积沉在斜管上的污泥卷起，使水质严重恶化。正是这一原因才使得南方很多地区又由斜管沉淀池改为平流沉淀池。而小间距斜板沉淀池其排泥面积是普通斜管的4倍多，单位面积排泥负荷尚不到斜管的1/4，故在任何时期排泥均无障碍。三、“涡旋混凝给水处理技术”的工艺特点（一）处理效率高、占地面积小、经济效益显著。由于混合迅速(3～30秒)，反应时间短(8～12分钟)，沉淀池上升流速高(2.5～3.5mm/s)，因此可大为缩短水在处理构筑物中的停留时间，大幅度提高处理效率，因而也就节省了构筑物的基建投资。工程实践证实：与传统工艺相比，采用新技术用于新建水厂，主体工艺构筑物可节省投资15～20%，并可大幅度减少主体构筑物占地面积。占地面积与平流沉淀池比较可节省70%，与斜管沉淀池比较可节省40%。（二）处理水质优，社会效益好，水质效益可观。几年运行实践证明，这项工艺可使沉后水浊度稳定在3度以下，滤后水接近0度，这就形成了一个很高的水质效益。水质效益一方面就是社会效益，另一方面是潜在的经济效益。 我国现行饮用水水质标准为浊度不超过3度，而发达国家标准是不超过1度。随着人民生活水平的提高，我国也将进一步提高生活用水标准。如果其标准提高到1度，那么大部分城市现有处理设备和工艺是难以达到的，只有通过大幅度投资扩建新水厂，才能解决水质和水量的矛盾。而采用此工艺可稳定保持出厂水浊度低于1度。由此可见，其潜在的水质效益是相当可观的。（三）抗冲击能力强，适用水质广泛。实践证明，此项技术抗冲击的能力较强，当原水浊度、进水流量、投加药量发生一些变化时，沉淀池出水浊度不象传统工艺那样敏感。其原因是，这项工艺的沉淀池上升流速按3.5mm/s设计时尚有很大潜力。运行实践表明，这项工艺对低温低浊、汛期高浊以及微污染等特殊原水水质的处理均非常有效。低温低浊水中固体颗粒少，颗粒尺度小，有机物含量相对高，比重小。从颗粒级配来看也相对均匀，加之低温时药剂吸附架桥能力下降，这些都给絮凝与沉降带来困难。新技术采用的絮翼片隔板凝设备，可大幅度增加颗粒碰撞几率，克服了固体颗粒少、难于相互碰撞的缺点，形成比较密实的矾花，在接触絮凝斜板上有效的沉淀下来。 对高浊水来说，颗粒碰撞已不成问题，但在这种情况下混凝剂的亚微观扩散阻力大幅度增加。传统方法很难使亚微观传质在混合设备中完成。也就是说，有一部分地方会出现过反应情况，而这些地方反应不足，致使絮凝效果恶化，以致于矾花沉降性能变坏；再加上斜管沉淀池本身结构导致排泥不畅的缺点，使得高浊水处理成为难题。新技术由于能在各种情况下迅速完成药剂的亚微观扩散，同时小间距斜板克服了普通斜管排泥不畅的缺点，故此对高浊水处理十分有效。我国目前普遍采用强氧化剂预氧化或生物预处理措施去除微污染。然而，无论何种预处理方法，都要通过反应使水中的有机物析出，使它们达到胶体颗粒尺度，最终通过絮凝、沉淀、过滤的方法与水中的其他颗粒一起去除。因此，高效能的絮凝与沉淀设备是去除微污染更有效的设备。实践证明，这项新技术在去除水中有机污染方面同样行之有效。（四）制水成本降低。1.由于新技术采用先进的混合及反应设备，可节省投药量30%；2.由于新技术沉后水浊度在3度以下，减轻了滤池负担，因此滤池反冲洗水可节省50%左右，并可延长滤料更换周期；3.基建费用的大幅度节省，可较大程度降低投资折旧率。从以上三个方面来看，新技术的使用可使制水成本显著降低。（五）工期短、见效快。 此项技术用于新水厂的建设，从设计到安装调试只需2～3个月，可以在短时间内解决城市供水不足的状况。随着我国城市建设的迅速发展，很多城市供水设施由于投资紧张，都严重滞后于城市的发展，造成很多城市缺水的局面。加之水质污染，水土流失等因素的影响，传统工艺暴露出难以克服的问题，而影响优质供水。而这项新技术可以有效解决传统工艺无法解决的问题。总之，这项新技术具有处理效率高、水质好、投资省、制水成本低等特点。此技术的推广应用，可最大限度地挖掘利用现有水资源和供水设施的潜力，利用最小投资取得最大效益。我们愿与全国各城市水司竭诚合作，使这项技术得以更快地推广，造福于当地人民。涡旋理论发展及其在混凝过程中的应用1绪论 　　环境水力学，是形成和建立不久的一门新的学科分支。它研究的对象既有水力学的问题，也包括环境问题。水力学作为水利科学的一个分支，已有悠久的历史；而环境科学是近二三十年才发展起来的一门新兴科学，环境水力学正是在古老的水力学崭新的环境科学的结合点上生长起来的一门交叉学科。正是由于这样的交叉，使得环境水力学的理论中既继承了许多传统的内容，也不断地在发展着自己持有的理论基础，涉及到的内容有水力学或流体力学的基本理论，及环境科学的一般理论；还有属于本学科自身发展起来、不断充实的一些理论，如污染物在天然水体中的稀释扩散规律、天然净化机理，各种水体(海洋、河流、湖泊)中，各种排放条件下污染物的迁移、运动规律，同时也研究环境工程中的水力学问题，如沉淀池中水力学特性对沉淀效率的影响、过滤装置中水流的特性及对处理效率的影响等等[1，2]。下面，将分别介绍环境水力学在环境方面的研究、应用情况。1.1环境水力学研究的现状[3]　　20世纪70年代以来，随着水环境问题研究的深入和相关学科及应用技术的发展，环境水力学无论在深度和广度上都取得了很大的进展。　　远区紊动扩散与离散的研究从对规则边界中的恒定流动向复杂流动和非恒定流动发展，如天然河流、山区河流、分汉河段[4]、交汇河段[5]、潮汐河段[6]、尾流[7]、分层流[8]等。　　与污染近区有关的射流理论由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展，如横流、分层流、浅水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。　　使时均流场与物质浓度场控制方程封闭的紊流模型由简单模型向精细模型发展，如K-双方程紊流模型，基于重整化群RNG的K—双方程紊流模型，雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等。 　　水流-水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型发展；被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十个，模拟的变量由非生命物质如“三氧”(溶解氧、生物化学需氧及化学需氧)、“三氮”(氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮)等等向细菌、藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物发展；应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展；　　计算的时空网格数几何增长，地理信息系统开始在水质模型中应用。数字图像处理技术在环境水力学试验中的研究与应用，有力地推动着环境水力学的发展[2]。1.2环境水力学研究的趋势[3]1.2.1研究对象由无生命组分进入有生命组分，并向生态水力学发展　　20世纪60年代以前，环境水力学仅限于研究水域中非生命物质的扩散、输移与转化规律，70年代以来，随着水体富营养化等生态问题的突出，其研究对象扩展到藻类、浮游动物、鱼类、底栖动物等水生生物。水流条件、边界条件、非生物组分与生物组分间的相互作用以及水生物组分间的食物链关系成为环境水力学研究的重要内容，污染动力学与生长动力学结合使环境水力学向着生态水力学发展。1.2.2结台“3S”，水流-水质模型的研究范围从单一局部水域向综合水域发展 　　随着计算机和空间技术的发展，RS与GPS技术已能够同时获取大量的不同分辨率多谱段的可见光、红外、微波辐射和测视雷达的数据，目前己与GIS结合进入一个能快速即时提供多种对地观测的具有整体性的动态资料，并对这些资料进行分析与处理的新时段。1.3环境水力学研究面临的问题[3]1.3.1“三水”转换的水质模拟　　“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文学、水力学及地下水动力学中从水量与水流的角度对“三水”的转化关系曾进行过研究，但尚未从水质的角度进行过研究。其实无论是从水量还是从水质来说，“三水”之间都存在着转化关系，目前的水质模拟中“三水”基本上是独立的，彼此间的影响只作为一种边界条件来体现，没有作为一个相互影响的综合系统来考虑。为从源头治理水污染，需研究“三水”之间的水质转换关系，建立“三水”转换的水量—水质模型，为气、水、土和生态系统的统一管理提供技术支持。1.3.2挟沙水流的水质与生态模拟 　　到目前为止，国内外的水质与生态模拟基本上是针对清水水域的．这主要体现在模拟需用的物质浓度是采用清水观测方法监测的。国内外普遍规定对挟沙的浑水需将水样过滤或澄清，用清水中的物质浓度作为观测浓度，该浓度值未计入泥沙中所含的物质量。在水质模拟中泥沙对水质的影响也只反映在水域底部处于不冲不淤前提下泥沙对物质的吸附或释放。天然实测资料表明，浑水样和澄清水样的物质浓度差别很大。2涡旋的理论基础图 1-1涡旋现象　　　涡旋亦称有旋流，是做旋转运动的一种流体运动。流体本身不仅发生转动，而且其中任一股小单元均绕着瞬时轴线，以某一角速度做旋转运动。在自然界中，龙卷风、旋风、水流过桥墩时的旋涡等，都是旋涡运动。如左图1-1显示的是水流形成的涡旋。2.1涡线、涡管、涡束和旋涡强度[9]　　涡线是在某瞬时涡量场小所作的一条空间曲线，在该瞬间，位于涡线上的所有流体质点的旋转角速度向量。均与该线相切。因此，涡线是给定瞬时曲线上所有流体质点的转动轴线。见图2-1 　　涡线的形状及在空间的位置都随时间而不断变化。但在恒定流动中，涡线的形状保持不变。一般情况下。涡线与流线不重合，而与流经相交。与流线方程类同，可以得到涡线的微分方程：     显然，由于涡线的瞬时性，t应该是涡线方程的一个参变量。给定瞬时，在涡量场中，过任意封闭围线(不是涡线)上各点，作涡线所形成的状表面，称为涡管。若涡管中充满着旋转运动的流体质点．就称为涡束。　　旋转角速度沿涡束长度改变，但在微小涡束的每一个截面上，流体质点以同一角速度旋转，旋涡在流场中对周围流体的影响，以及沿涡束的变化，决定于旋转角速度向量的和涡所包含授体的多少(用截面积A来表示)。如果面积A是涡束的某一横截面积，A就称为涡束旋涡强度，它也是旋转角速度矢量ω的通星，称之为旋涡通量。旋涡强度不仅取决于ωn而且取决于A。　　流体质点的旋转角速度向量无法直接测量，所以旋涡强度不能直接计算。但是，旋涡强度与它周围的速度密切相关，旋涡强度愈大，即或者角速度放大，或者涡束的截面积大，对周围角度的影响也就愈大。因此，这里引入与旋涡周围速度场有关的速度环量的概念，建立速度环量与旋涡强度之间的计算关系。这样，通过计算涡束周围的速度场，就可以得到旋涡强度。应用斯托克斯定理，通过计算速度环量，可以决定封闭围线所包围的面积中全部旋涡的强度。 2.2涡旋的基本定理[10]2.2.1斯托克斯定理　　关于速度环量与旋涡强度的斯托克斯定理：沿任意封闭周线上的速度环量，等于穿过该周线所包围面积的旋涡强度的两倍，即　　显然，如果周线上所有各点的速度与周级垂直，那么，沿该周线的速度环量等于零。这一定理将旋涡强度与速度量联系起来，结出了通过速度环量计算旋涡强度的方法。2.2.2汤姆逊定理　　汤姆逊(Tbomson)定理：在有势质量力的作用下，在理想的正压性流体中，沿任何封闭流体围线的速度环量不随时间变化，即 　　由汤姆逊定理可以得出，如果理想流体从静止状态开始流动，流动中始终沿相同流体质点组成的封闭围线线，它的速度环量等于零。根据斯托克斯定理，旋涡强度由速度环量度量。因此，在有势质量力的作用下，理想不可压缩液体，若初始没有旋涡，旋涡不可能在流动过程个自己产生；或者相反，若初始有旋涡，流动中也不会自行消失。如果从静止开始的流动，由于某种原因产生了旋涡，则在该瞬间必然会产生一个环量大小相等方向相反的旋涡，保持环量为零。实际上，只有存在着粘性的真实流体，旋涡才会产生和消失。因而，不能应用汤姆逊定理。但当粘性影响较小，且时间比较短的情况下，真实流体也可以应用畅姆逊定理。2.2.3涡管特性的亥姆霍兹三定理　　亥姆霍兹(Helmho1ts)第一定理：在同一瞬时沿涡管长度，旋涡强度保持不变。这一定理说明，流动空间中的涡管，既不能突然中断，也不能突然产生。同样，涡管也不能以尖端形式出现，因为当Aj0时，必须有ωn∞，而这是不可能的，所以流体中的旋涡不能以尖端发生或告终。亥姆霍兹第一定理决定了在流动过程中涡管存在的形式，它只能自成封闭管圈，或者涡管的两端附在边界上。对于真实流体，由于粘性摩擦力消耗能量，涡管将在运动中逐渐消失。　　亥姆霍兹第二定理：在有势质量力作用下的正压性理想流体中，涡管永远保持相同的流体质点组成而不被破坏。因为涡管表面上不可能有涡线通过，根据斯托克斯定理，沿封闭围线L的环量ГL＝0。又由汤姆逊定理，环量不随时间而变化，所以沿封闭围线入上环量保持为零。沿封闭围线L上环量保持为零。这说明在任何时候，都不可能有涡线穿过任何围线所包围的面积，所以，随时间变化，虽然涡管的形状会不断变化，但组成涡管的流体质点永远在涡管上，涡管能够保持不变而不被破坏。　　亥姆霍兹第三定理：在有势质量力作用下的正压性理想流体中，涡管的旋涡强度不随时间变化。 　　亥姆霍兹第一定理说明同“瞬时沿涡管长度旋涡强度保持不变，它是斯托克斯定理的推论，说明同一瞬间空间上旋涡的变化情况，这是个运动学的问题，对理想或粘性流体部成立。第二、第三定理说明涡管的旋涡强度不随时间改变、它由斯托克斯定理和汤姆姆逊定理加以证明。对于真实流体，粘性摩擦消耗能量会使旋涡强度逐渐减弱，因此，第二、三定理只适用于理想的正压流体。2.3涡旋速度和压强的分布[10]　　由流体微团形成的旋涡，可看作—个如同刚体那样转动的涡核。涡核(线)在静止流体中旋转时，由于流体的粘性作用，将带动周围的流体围绕涡核作圆周运动。显然，刚开始时。由于速度梯度大，存在比较大的粘性作用，以后逐渐减小，当周围运动稳定后，粘性作用就变得很小，这时流体粘性作用可以略去不计，看作为理想流体。　　涡核在周围的流体中感生出速度，使在整个流域形成面生速度场(这种感生的流场是二元流动，流体只有由涡核感生的圆周运动)、所以流场内某点(r＞r0)的速度为　　涡核内流体作有旋运功，不能应用拉格朗日积分。旋涡区内流线是以原点为圆心的同心园簇，可以沿流线应用伯努利方程，但这—方程不能解出不同流线间的压强分布，可采用欧拉运动微分方程积分求解。 　　在旋涡区内愈靠近中心，压强P急骤降低，因此在旋涡中心处产生一个很大的吸力，对旋涡区外的流体具有抽吸作用。2.4涡旋的拉伸[11]　　湍流是有旋运动，湍流是由各种尺度的大小涡旋组合而成的。湍流场中流体微团变形和旋转的强烈相互作用是湍流的重要机理。随涡旋拉伸，涡线改变方向等过程的进行，流场愈变得复杂起来，需要以随机理论进行分析。根据随机游动理论，一个随机运动的质点，在平均意义上，离开起点的距离是增加的，这意味着，位于给定涡线端点的两质点，在有随机扰动的流场中，它们之间的长度尽管会缩短，但平均起来总是增加的；涡旋总是拉伸的，涡量是增加的。　　涡旋发展的一个主要机理是涡旋的拉伸。下面分几点说明涡旋拉伸的性质及其产生的结果。(1)  涡旋变形的影响以拉伸为主，拉伸导致涡量的强化。总的说来，元涡拉伸，断面缩小，涡量加强是主要的。(2)  涡旋拉仲的发展说明紊动必然是三维的。对于紊流，尽管时均流动可以是二维的，紊动则必然是三维的，即瞬时量必然是三维的。(3)  涡旋拉伸的发展导致小尺度涡旋的各向同性。元涡在一个方向例如X1方向的拉伸缩小了断面而强化了涡量，其结果增大了另外两个方向的流速分量，这样使得邻近的X1、X2 两个方向的元涡也受到拉伸。伯勒特梭(Bradshaw，P．)提出紊动涡旋的“家谱”(图2-2)来描述紊动的发展过程。由图可见，一个方向涡旋的拉伸诱发另外两个方向涡旋的拉伸，如此“一代一代”传递下去，各方向的涡旅分布愈来愈趋于均匀。因此得出结论：在紊流中，小尺度涡旋没有特殊的方向性，即具有各向同性的待征。2.5涡旋级串的形成[11]　　根据汤森等人的研究，存在于时均流动的各种尺度涡旋中，以方向和流场中的正应变主釉大体一致的涡旋为主，从时均流动吸取能量，然后逐级传递下去。由于涡旋拉伸，尺度逐级变小，转速则增大，粘性应力梯度也随之增大，粘性对涡量的扩散愈来愈重要。当粘性对涡量的扩散与拉伸对涡量的加强互相平衡时，涡旋尺度不再减小，而达到极限，最后能量通过小尺度的涡旋耗损转化为热能。这样形成一个涡旋的级串(vortexcascade)。　　在涡旋尺度还没有小到足以使粘性发挥作用以前，能量逐级传递的过程可以认为相粘性无关。消耗能量的数量则决定于开始下传能量的数量。2.6涡旋的运动[11]　　由于涡旋运动的复杂性及边界条件的多变性，目前对涡旋问题尚难提出理论的精确解。一般根据N-S方程组，再根据所研究问题的边界条件进行简化分析。 3涡旋理论在混凝中的应用　　水的混凝机理一直是水处理与化学工作者们关心的课题，迄今也还没有一个统一的认识。一般认为：混凝分为凝聚和絮凝两个过程。凝聚是瞬时的，它是反映化学药剂在水中扩散的过程。絮凝则与凝聚不同，它反映脱稳后的胶体颗粒互相碰撞后粘在一起形成大致是永久性聚集体的过程。凝聚的时间很短，要想把凝聚和絮凝完全分开是很难的，为了突出絮凝的特点又把大分子量的或者高分子聚合物称为絮凝剂。目前，对于涡旋在混凝中的应用，主要存在两种：涡旋剪切混凝和涡旋惯性离心混凝。3.1涡旋剪切混凝　　紊流运动中的涡旋运动规律可用下式表达　　式中，ｋ为常数；ｍ为指数，一般ｍ=0.5-0.9；ｕ为计算点的切向速度；Ｒ为计算点到原点的距离，即涡旋半径。则半径R处的速度梯度，即塑变形为：　　Heisenbery提出[13]，即便是湍流也可把它看成是平均流来研究它的特征。如海水流动时虽然速度、位置都随时间而变化，在很长的时间内观察时，可看成是湍流；但是在很短的时间内可将其看成是平均流。这与Ross提出的紊流流动可模型化为一些复杂层流运动的组合观点一致[14]。借助坎布(Camp)的混凝方程，由涡旋速度梯度引起的单位积水中单位时间内ｉ和ｊ颗粒碰撞次数Nij可表示为 　　式中，ni为ｉ颗粒浓度；nj为ｊ颗粒浓度：ri为ｉ颗粒半径；rj为ｊ颗粒半径；其余符号意义同前。3.2涡旋惯性离心混凝　　在涡旋速度场中，混凝颗粒随水流一起做涡旋运动，则距旋转中心为R、颗粒半径为ｒ、密度ρs的球形颗粒，在旋转水流中所受的离心力F为：　　式中，ｍ为颗粒在水中的有效质量，；ρ为水的密度。　　絮凝颗粒径向运动时所受阻力Fd可表示为　　颗粒在径向方向的运动方程由牛顿第二定律得　　当颗粒作等速运动时，即，离心力与阻力平衡，得出颗粒在径向的运动速度为　　式中，V为颗粒的径向运动速度；V0为颗粒的自由沉速；Cd为阻力系数；g为重力加速度；其余符号意义同前。上面的讨论虽是针对球形颗粒进行的，但对非球形颗粒同样适用，因此颗粒在惯性离心力作用下作径向运动时，大颗粒运动的快，小颗粒运动的慢，这一速度差为颗粒碰撞提供了条件。则径向速度差引起的单位体积、单位时间内ｉ和ｊ颗粒碰撞次数Nij′可表示为 　　式中，V0i为i颗粒的自由沉速；Ｖ0j为j颗粒的自由沉速；ri>rj其余符号意义同前。径向惯性离心力产生的碰撞频率不仅随颗粒粒径的增大而增大，而且还取决于粒径的差别，对于粒径相同的颗粒，即使速度很大也不会产生碰撞，因此惯性离心混凝对于粘结小颗粒并使粒径趋于均匀具有显著作用。由此可以断定：紊流条件下涡旋剪切力和惯性离心力是对加速颗粒接触碰撞的主要动力致因，而涡旋剪切力是主导动力。3.3絮凝体在涡旋中反复回转，能够提高混凝效果　　水有粘滞性，因此水在流动过程中会产生速度梯度，即水层之间速度的变化值。一般认为异向凝聚是由于布朗运动造成的，而同向凝聚是由于搅拌作用而产生的。笔者认为无论是搅拌或折板反应，格网反应，迷宫反应等，无非是在水流中产生涡旋，有涡旋时，速度梯度值就会变化很快，除了造成凝聚体的“你追我赶”相互碰撞以外，还会产生凝聚体或微絮体本身的“自旋” 。因为涡旋内流线发生变化，相邻流层之间存在速度差值，一个微粒很可能在其前进方向的两侧受到不同的速度影响，正在这两个不同速度的差值形成力矩，推动絮体或凝聚体自身旋转。自旋本身相当于增大了絮体的半径，所以能提高混凝效果。除此以外，在高效絮凝技术中，都利用了各种手段产生涡旋，提高絮凝效率，笔者认为在反应阶段，长大后的絮凝体在涡漩中由于惯性力和离心力的作用会绕着涡旋中心，以涡旋中心为轴而回转，相当于更大范围内扩大了自身的半径，而且有时还会在涡漩中反复回转，一次又一次，增加了微粒碰撞、接触的机会，使小颗粒凝结成大颗粒，大颗粒聚结成更大的颗粒从而与水分离。　　例如在网板反应中，当水流绕过非线性圆柱体(网丝)时，由于发生边界分流现象，在圆柱体后部两侧使产生涡漩。涡旋长大到一定程度即从主体分离，顺流而下，随后又产生新的旋涡，在这样的柱尾流中便出现了两列平行排列而又互相交错的涡列。观测表明:柱后初始的涡旋大小基本上与柱体尺寸处于同一数量级。而涡旋尺度的变化比直接与网格的尺度有关。反应水流中的涡旋尺度可以通过调整网格尺度的办法来控制，使其形成的絮体颗粒粒径接近于同一数量级，同时也可以根据絮体在反应过程中不断增大的规律来设计不同级的反应条件，提高反应效率。为什么要控制涡旋大小，就是为了造回转的需要。回转则能提高絮凝效率，宏观现象观测更能说明这个观点:河流中经常看见旋涡中的柴、草等漂浮物，绕着旋涡中心反复回转好多次，偶一瞬间才能“逃”出旋涡而进入下游。高效絮凝技术中，正是利用了小的絮体在不断的回去转过程中，吸附碰撞更小的或更大的絮体生成大而重的絮体而与水分离，提高混凝效果。4结论　　将涡旋理论应用于混凝之中，通过控制水流在反应器沿程能够形成的絮体颗粒相近的微涡旋尺度，改进现有的技术，从而可以提高混凝效果。 　　在混凝过程中，脱稳微粒相互聚结而形成初级微絮体颗粒，可以利用速度梯度(G)来反应絮凝过程。每种反应方式都有一个最佳速度梯度值，这个值一般是一个范围，G值过大剪切作用明显，破坏凝聚体；G值过小，扩散强度弱，碰撞速度慢，又不足以推动初始粒子自旋，降低了凝聚体生成速度。絮凝池中的湍流中充满着大大小小的涡旋，它们不断的产生、发展、衰减与消失，大尺度涡旋破坏后形成较小尺度的涡旋，较小尺度形成更小的，其中的微小涡旋导致了颗粒碰撞、絮凝。微小涡旋最容易引起絮体的自旋。而直径大小又能最大限度地保护生成的凝聚体不被破坏。上个世纪80年代，风行日本的迷宫反应池，正是利用了絮体自旋和絮体在旋涡中反复回去转的原理。提高了混凝效率，提高了出水水质，才使其大面积被推广应用。'