湍流絮凝是一个重要的科学难题，现有絮凝动力学理论尚不能很好解释和预测实际水处理中占主导地位的湍流絮凝，因而限制了絮凝理论和实践的进一步发展.实验测量是取得有关絮凝反应器流场中絮体颗粒运动详尽信息的重要手段，如何获取混凝流场中絮体颗粒的运动信息对研究混凝机理具有重要的影响.粒子图像速度场仪(PIV)是一种非接触式的流场测量技术，具有较高的精度和空间分辨率.在流场中投加示踪粒子后，可以全面直观地观察到流场的形态，得到涡量分布信息.
Taylor-Couette反应器是一种传统的涡絮凝反应器，由两个同心转筒构成，两筒间隙约为10～15 mm，其中内筒旋转，外筒固定，两筒间隙中的液体在内筒的驱动作用下发生涡流动.当内筒转速从零开始增加至一定值时，环隙流体会经历一系列流态的转变，先后出现层流泰勒涡流动(TWF)、波状涡流动(WVF)、调制波状涡流动(MWVF)和湍流泰勒涡流动(TTVF)等含涡流场，最终成为充分发展的湍流.其中各种流动状态下，流场中含有不同数量、不同特性的涡及不同强度、不同方向的局部瞬时速度梯度场，因此可以利用Taylor-Couette反应器进行絮凝反应，通过控制其发生条件，人工获取混凝过程中的各种含涡流场，研究各种流动状态下涡流场内发生的碰撞聚集以及絮体颗粒的运动及凝聚过程，探讨混凝过程中涡流场对颗粒碰撞聚集作用及其对絮凝效果的影响.
Taylor-Couette反应器内各种流态的转变分别出现于旋转雷诺数Re的某特定值.Re定义为
式中，ω为内筒旋转角速度(rad · s-1);ri为内筒半径(m);d = r0-ri 为环隙的宽度(m);ν 为流体的运动粘度(m2 · s-1).在实验中改变旋转雷诺数Re 的大小就可控制各种流态的发生.
在Taylor-Couette 反应器内进行絮凝试验时，环隙流场中存在着诸多絮体粒子，本研究将通过实验验证利用混凝过程中的絮体粒子为PIV的示踪粒子，在混凝的同时进行流场测量，把原先分别独立进行的絮凝实验与流场测量两个环节合二为一，从而同步揭示湍流絮凝过程中流场的微观结构特征.
2 材料与方法
2.1 仪器和实验装置
Taylor-Couette反应器由本实验室自制.旋转内筒由不锈钢制成，直径2ri=75 mm;固定外筒由透光Plexiglas玻璃制成，直径2r0=100 mm;环隙宽度d=r0-ri=12.5 mm;内外筒半径比η = r0/ri=0.75;筒高L=440 mm;筒高与环隙宽度比值Г = L /(r0-ri)=35.2.内筒由ABB控制电机驱动，并在目标转速下旋转，使环隙流体产生不同的流态.
PIV系统由丹麦Dantec Dynamics公司生产，主要有双脉冲Nd:YAG激光器、高速Flowsense 2M CCD相机、同步器(HUB)、计算机及软件系统等组成.将PIV系统应用于Taylor-Couette反应器，试验装置如图 1所示.
图 1 PIV流场测定实验装置示意图
2.2 实验方法
2.2.1 混凝实验与流场测量
由于ω=2πn，所以，为方便实验操作，可通过控制内筒转速n来实现旋转雷诺数与流态的要求，也就是在实验过程中，以转速n(r · min-1)作为参数来控制环隙流体的流动状态.为避免光学畸变，将内筒与外筒一并置于一个方形的plexiglas玻璃水槽，并在此水槽中充入蒸馏水.将激光片光定位于反应器环隙子午面上，再将CCD相机设置在与激光器发出的片光垂直的方向上，以获取激光面上流场内的粒子图像.事先用高岭土和自来水配制2% 的悬浊储备液待用.将1500 mL自来水加入到Taylor-Couette反应器环隙中，再加入7.5 mL高岭土悬浊储备液，以500 r · min-1的内筒转速强烈旋转混合，作为处理水样，此时水样浊度稳定在100 NTU左右.按照预先选定的10 mg · L-1投加量，加入1% 浓度的聚合氯化铝(PAC)溶液，继续以500 r · min-1的内筒转速旋转2 min，使PAC混合均匀，并与水中胶体微粒迅速发生脱稳凝聚作用而形成初级微絮体颗粒;紧接着以不同的目标转速缓慢旋转10 min，以进行充分的絮凝反应.此时，对应每一个转速，均在絮凝反应过程进行到第4、6、8、9 min时分别启动PIV拍摄一组粒子图像，并记录图片数据，每组至少20对照片.完后再静置沉降10 min，再从水面下210 mm 处取样测定剩余浊度.采用哈纳HI93703-11型浊度测定仪(中国北京哈纳科仪科技有限公司).流场测量区域为Taylor-Couette反应器环隙子午面，如图 2所示.
图 2 环隙子午面测定区域
对每对粒子图像，应用Flowmap软件系统中的Adapt Correlation命令进行自适应互相关分析，得到各转速下流场在各个时刻的瞬时速度矢量场，处理过程中一般采用的分析查问区为32×32像素，50%重叠率.再应用Average Correlation，可进一步分析得到各流场的平均速度矢量场.为了全面观测流场的变化过程，对获得的所有速度矢量图进行分析计算，将每一转速下，在絮凝反应过程进行到第4、6、8、9 min时，获得的4个不同混凝时刻下的瞬时速度矢量场组成图谱，可表征在同一流态下，不同絮凝进程时刻流场的变化特征;抽取每个转速下任一时刻瞬时速度矢量图，按照转速从小到大组合到一起即可得到混凝过程中不同流态下的瞬时速度矢量场图谱，以全面详细地表征各种不同流场形态特征及其变化情况，并定量分析与之相对应的内筒旋转雷诺数的变化范围.
3 结果与讨论
3.1 内筒旋转雷诺数与混凝效果
投加 10 mg · L-1 PAC絮凝剂，在不同的转速下进行重复性混凝实验.混凝过程中，絮体颗粒的形态与粒径均随着内筒转速的变化而表现出不同的特征：当内筒旋转雷诺数Re 较小(Re<488)时，絮凝剂很难相互结合形成密实的大颗粒絮体，此时观察到的只是松散的絮体形貌;当内筒旋转雷诺数Re 较大(Re>4877)后，形成的絮体颗粒细小，Re 越大，絮体破碎越厉害，絮体颗粒越细小;只有当内筒旋转雷诺数Re 在 500～2900 内，絮体颗粒粒径最大，粒径分布最均匀，而且在此范围内，其静沉后所形成的絮体颗粒也较大，且上清液中剩余颗粒总数较少，浊度去除率较高，高于60%.
所得浊度去除效果如图 3 所示.由图 3 可知，浊度去除率随着内筒转速的变化，先升高后降低，在Re 为 500～2900内，去除率均高于60%，当Re≥2900 以后，随着内筒旋转雷诺数增大，去除率逐渐降低.表明混凝效果与流场形态密切相关.
图 3 不同条件下的絮凝效果变化情况
3.2 同一旋转雷诺数下不同混凝时刻的瞬时速度矢量场
从不同混凝时刻的瞬时速度矢量场图谱中选取几个典型的流场形态，用以分析研究混凝过程中，在同一旋转雷诺数下不同混凝时刻，瞬时速度矢量场的变化特征.
图 4 是在Re 为488、1463、2926、4877，对应内筒转速分别为10、30、60、100 r · min-1 条件下，用PIV 测得不同絮凝进程时刻的瞬时速度矢量场变化情况，用以表征同一转速下，流场形态随着混凝时间的推移而发生的变化过程.由图 4 可知，在各个不同时刻，环隙中的涡旋形态发生着有规律的变化，而且对应每一个不同的 Re，涡旋形态的伸缩变化规律均不尽相同.分析如下：内筒转速为10 r · min-1 时(图 4a)所示，形成的涡比较松散，涡间距较大，数量少;相邻涡的大小随时间在变化.内筒转速为30 r · min-1 时(图 4b)所示，形成的涡旋相对较完整且紧密，涡数量增多;相邻涡的形态随着时间发生相反的变化，一个收缩，另一个膨胀，且变化趋势较明显，同一个涡的涡心位置也随时间发生径向和轴向振动，假如在同一位置观察则表现为大小涡间隔出现.内筒转速为60 r · min-1 时(图 4c)所示，各个时刻下的涡形态变化不大，形成的涡完整且紧密，大小趋于均匀.内筒转速为100 r · min-1 时，如图 4d，各个时刻下形成的涡形态变化不大，涡的完整性受到干扰，涡内出现了一些不规则的扰动.
图 4 不同时刻的瞬时速度场
综上可知，当Re 在975～1951时，环隙中的涡旋形态、体积大小和涡心位置均随时间发生有规律的变化，参照坐标轴可看出，涡的体积随着时间发生周期性的膨胀和收缩，并且涡的中心位置也随时间发生径向和轴向振动;随着Re 的升高，涡与涡之间的变化与差别不断减弱，在旋转雷诺数Re 大于3000，即转速大于 60 r · min-1 以后，这种涡的膨胀和收缩、涡心震动等现象逐渐消失，涡体积和大小趋于一致.
3.3 不同旋转雷诺数下絮凝过程中环隙子午面瞬时速度矢量场
从不同流态下的瞬时速度矢量场图谱中选取几个典型的流场形态，用以分析研究混凝过程中，在不同旋转雷诺数下，瞬时速度矢量场特征，并找寻絮凝效果与流场的形态变化特征之间的关联关系.
图 5 是内筒旋转雷诺数Re 在15000 以内(n在5～300 r · min-1)条件下，混凝过程中不同流场形态的瞬时速度矢量场情况.由图 5 可看到，从Re= 488 (n为10 r · min-1)开始，环隙间的涡就已经形成大小相间的趋势，只是形成的涡较松散，边界模糊;当Re 在488～975 (n为10～20r · min-1)之间，涡由松散的独立式逐渐转变为结合紧密、大小相间且相互间 有液体传递的半闭合式;当Re 在975～1951 (n为20～40 r · min-1)之间，相邻涡与涡之间体积、形态差别对比变大，一个体积大，一个体积小，一个松散，一个相对紧密;当Re 在1951～2926 (n为40～60 r · min-1)之间，相邻涡与涡之间体积、形态差别对比逐渐变小，涡间出现相对密集的速度矢量方向场，说明涡间处存在主流液体移动;当Re 在2926～4877 (n为60～100 r · min-1)之间，环隙中逐渐形成大小均匀，且相互较为独立的、完整的完全闭合式涡旋，主流液体移动消失;当Re= 4877 (n为100 r · min-1)以后，规律的涡分布逐渐受到干扰，涡旋的完整性逐渐被破坏，相邻涡旋相互连通，成为敞开式涡旋，或大涡旋内部产生一些不规则的小涡旋，随着Re 增大，这种不规则状态越来越强，直至最后整个环隙变成杂乱无章的紊流.
图 5 不同流态下瞬时速度矢量场
3.4 絮凝过程中环隙子午面平均速度矢量场
选取几个典型流场的平均速度矢量图组合见图 6.由图 6 可看出，随着Re 的升高，平均速度矢量场中的涡也发生着变化，但是，与图 4、图 5 中在相同Re 下获得的瞬时速度场相比，这种变化趋势很不明显，不如瞬时速度场直观.分析原因，可能因为PIV 所依赖的示踪粒子是絮凝过程中生成的絮凝体，而这些絮体从絮凝开始到结束的过程中一直都在变化，特别是到絮凝后期，絮体逐渐长大，从示踪粒子的能效方面来说，属于抱团现象，抱团后示踪粒子与流体的跟随性会变差，不利于很好地表达流场的变化，所以在与絮凝实验同步进行流场测量时，瞬时速度场比平均速度场能更好地反映流场的瞬时变化特征.
图 6 各流态下平均速度场
3.5 讨论
综合图 3～图 5可看出，絮凝效果是在连续Re 范围区间内变化的，可以推知，混凝效果与流场内的涡形态密切相关.这可以结合絮体颗粒在流场中的运动加以阐述：当内筒旋转雷诺数Re<975或 Re >4877 条件下，环隙中所形成的涡旋是独立的、或全开放式的，絮体颗粒或者轻柔地在一个涡旋中运动，或者剧烈地从一个开放式涡旋流向另一个开放式涡旋，结果不是由于颗粒碰撞的几率太低而生成较少的絮凝体，就是由于速度太过剧烈而很难生成絮凝体，而得不到良好的絮凝效果，在这种涡流态下的絮凝效果均不理想，浊度去除率均低于50%.而当Re在 900～2900 时，环隙中所形成的涡旋结合紧密、大小相间，且混凝过程中涡旋流场随着时间的推移呈有规律的波状膨胀和收缩变化.在这种流场中，不仅同一个涡内的絮体颗粒的运动速度会随着涡旋周期性的膨胀收缩而增大或减小，甚至改变运动方向，引起颗粒之间更频繁的相互碰撞，产生出较大絮体颗粒;而且流场中不同涡之间的絮体颗粒也有可能随着主流液体的移动而在运动过程中发生碰撞，产生出更多的絮体颗粒.在这种涡形态下絮凝效果很好，沉淀去除率均高于60%.
结合图 4，还可进一步发现，混凝效果较好的流场中，其涡形态的体积大小会随着时间发生周期性的膨胀和收缩，涡心位置也随时间发生着变化;而混凝效果较差的流场中则不存在这种变化过程，在各个混凝时刻，其涡形态变化不大，大小趋于均匀.所以，可以认为这种周期性变化、涡相互之间存在液体传递的波状涡结构有利于絮体颗粒的结合生长，最终带来较高的絮凝沉淀去除率.
4 结论
1)混凝过程中不同的流场形态可以导致不同的絮凝沉淀效果，内筒旋转雷诺数Re 在 900～2900 时，流场中产生的涡具有相似的特殊波状涡结构，相邻涡旋形态大小发生周期性变化，这种涡结构有利于絮体颗粒的结合生长，并产生较高的絮凝沉淀去除率.
2)在混凝过程中用絮凝体为示踪粒子同步进行流场测量时，各转速下的平均速度场涡变化特征很不明显，不如瞬时速度场直观，瞬时速度场能更好地反映流场的变化特征.
3)实验结果能较好地反映出絮凝过程中环隙流场在不同的内筒转速下的流场变化特征，这也说明了可以将絮凝反应过程中高岭土与絮凝剂复合生成的絮体作为示踪粒子，利用PIV 对混凝过程进行流场测量，实现对絮凝过程的同步测量与表征.