可调涡旋絮凝技术及其低雷诺数湍流涡旋控制方法的研究

According to the needs of flocculation process in the field of water treatment, the idea of adjustable vortex flocculation technology is puts forward. By means of the measurement of 3D-PIV and large eddy simulation, through researching the vortex behind the cured blade (the vortex generator) in low Reynolds number turbulent flow, the method of controlling vortex can be set up. By using two kinds of flocculants: organic flocculant PAM and inorganic flocculant PAC, through the experimental research and the large eddy simulation, the effects of morphological parameters of vortex and the number of the vortex generator to flocculation process are studied in the adjustable vortex flocculation tube and the adjustable vortex flocculation pool. The mathematical model can be established, and the optimal flocculation process control can be realized.

根据水处理领域现有水力絮凝过程的需要，提出了可调涡旋絮凝技术的构想。通过3D-PIV测量与大涡模拟，对低雷诺数湍流中流经弧形叶片（涡旋发生器）的绕流涡旋进行研究，得到其涡旋控制方法。其后，分别采用有机絮凝剂PAM与无机絮凝剂PAC，对可调涡旋絮凝管、可调涡旋絮凝池,通过试验研究与大涡模拟，对低雷诺数湍流流动下的叶片绕流涡旋对絮凝过程的影响进行研究，并对涡旋的形态参数、涡旋发生器数量等参数对处于不同粒径分布阶段的絮凝体的影响进行试验研究，建立相关数学模型。并实现对絮凝过程中的最优控制。

根据水处理领域现有水力絮凝过程的需要，提出了可调涡旋絮凝技术的构想。通过大涡模拟与试验测量，对低雷诺数湍流中流经弧形叶片（涡旋发生器）的绕流涡旋进行研究，得到其涡旋控制方法。其后，搭建了水力可调涡旋絮凝试验装置，实现了可调流体涡旋对絮凝过程的促进与优化，以浊度的时间变化曲线和能耗利用率作为絮凝效果的综合评价指标，并通过试验研究，对低雷诺数湍流流动下的叶片绕流涡旋对絮凝过程的影响进行研究，并对涡旋的形态参数、涡旋发生器数量、角度等参数对处于絮凝池中不同絮凝阶段的影响进行试验研究。由实验结果可知，在工业上，可以采用从浊度仪得到的反馈到执行机构，从而调节处于不同廊道中的涡旋发生器的角度与尺度，产生尺度和强度与当地絮凝体尺度相匹配的涡旋，从而促进絮凝过程并提高能耗的有效利用率，实现对絮凝过程中的最优控制。同时，对絮凝过程前的加药混合过程进行了数值与试验研究，结果显示k-ω和k-ω-SST两个模型的准确度最高；并对低雷诺数k-ε模型在贴壁剪切中的模拟进行了测试分析，结果显示采用标准k-ε模型所用常数的AKN模型的计算结果最为准确，且其模型也相对较为合理。并对絮凝后期，用于给水深度处理的饱和活性炭的再生，采用热电联用两段低电压活性炭再生试验研究进行了实验研究，对其内部引弧放电现象进行了研究，实现了低电压引弧发电再生。研究工作为水厂的整个生产工艺流程的设计运行优化提供了理论与实践基础。