摘 要 本文首次從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度即亞微觀尺度對(duì)混凝的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了慣性效應(yīng)是絮凝的動(dòng)力學(xué)致因；提出了湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中的決定性的動(dòng)力學(xué)因素，并建立了絮凝的動(dòng)力相似準(zhǔn)則。文章指出擴(kuò)散過(guò)程應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散與亞微觀擴(kuò)散兩個(gè)不同的物理過(guò)程，而亞微觀擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)致因是慣性效應(yīng)，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。
　　關(guān)鍵詞：混凝動(dòng)力學(xué)致因，慣性效應(yīng)，亞微觀傳質(zhì)，相似準(zhǔn)則

Kinetic Functions of Inertia Effects in coagulation Process

　　ABSTRACT:The paper for the first time studied coagulation kinetics in the dimention digits of turbulence micro-structures, i.e., the submicro dimention digits. It brought up the idea that inertia ffect is the kinetic cause of floccula-tion , qnd the shear force of turbulent flow is the dominant inetic factor in floc-culation process. It also established the kinetic laws of similitude of locculation. The whole dispersion process ought to be divided into two physical processes, macrodispersion and submicrodispersion. The kinetic cause of submicro-dispersion is the inertia effect, especially the centrifugal inertia effect of the microeddy of tubulent flow.
　　KEY WORDS: kinetic causes of coagulation, inertia effects, sub-micro mass transfer, similitude rules

1、絮凝動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀

　　絮凝長(zhǎng)大過(guò)程是微小顆粒接觸與碰撞的過(guò)程。絮凝效果的好壞取決下面兩個(gè)因素：(1)是混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸咐架橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝 劑的性質(zhì)決定的；(2)是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進(jìn)行合理的有效碰撞，這是由設(shè)備的動(dòng)力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學(xué)科認(rèn)為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)致因，并用下面公式計(jì)算速度梯度：

　　G=(P/μ）^1/2　　 [3]

　　式中為單位水體的能耗；μ為液體的動(dòng)力粘滯系數(shù)。由于上面公式是在層流的條件下導(dǎo)出的，它是否適用于流態(tài)是湍流的絮 凝池一直是人們所關(guān)心的。這一問(wèn)題一直未有結(jié)論。實(shí)際上，上面公式是層流條件下的速度梯度。對(duì)于湍流來(lái)說(shuō)由于湍動(dòng)渦旋的作用，大大地增加了湍流中的動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于上式計(jì)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(gè)世紀(jì)呢?因?yàn)樯厦婀街蠵(單位水體能耗)這一項(xiàng)與湍流中的微渦旋有著密切關(guān)系，從后面文章內(nèi)容我們可以看到，正是這些湍流的微 結(jié)構(gòu)決定了水中微小顆粒的動(dòng)力學(xué)特性和它們之間的碰撞。通過(guò)幾十年的工程實(shí)踐人們積累了上面公式大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用此來(lái)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)當(dāng)然不會(huì)出現(xiàn)大的問(wèn)題。但上還公式對(duì)改善現(xiàn)有的絮凝工藝并沒(méi)有任何價(jià)值。因?yàn)樘岣咝跄Ч捅仨氃黾铀蓄w粒的碰撞幾率。按照上述的速度梯度理論可知，要想增加碰撞幾率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(guò)程是速度受限過(guò)程，隨著礬花的長(zhǎng)大，水流速度應(yīng)不斷減少。
　　另一方面我們可以舉出一個(gè)完全與速度梯度理論相矛盾的絮凝工程實(shí)例。網(wǎng)格反應(yīng)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(gè)區(qū)域 中不同的空間點(diǎn)上水流的時(shí)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(yīng)池速度梯度為零，其反應(yīng)效率應(yīng)最差。事實(shí)恰好相反，網(wǎng)格反應(yīng)池的絮凝反應(yīng)效果卻優(yōu)于所有傳統(tǒng)反應(yīng)設(shè)備。這一工程實(shí)例充分說(shuō)明了速度梯度理論遠(yuǎn)未揭示絮凝的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。
　　在絮凝的研究中，還有一個(gè)湍流研究學(xué)派用湍流擴(kuò)散的時(shí)平均方程去計(jì)算顆粒碰撞次數(shù)。最后得到的結(jié)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(kuò)散時(shí)平均方程，因此就不能揭示湍流微結(jié)構(gòu)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用。在諸如象絮凝動(dòng)力學(xué)的研究中，把研究領(lǐng)域僅僅劃分為微觀與宏觀已不夠了。因?yàn)樾跄械念w粒碰撞是與湍流中的微結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用密切相關(guān)，而微觀研究領(lǐng)域的分子尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湍流中的微結(jié)構(gòu)尺度，所以微觀的分子運(yùn)動(dòng)完全不受湍流微結(jié)構(gòu)影響，只與熱力學(xué)系參數(shù)有關(guān)。而宏觀流動(dòng)計(jì)算中人們關(guān)注的是時(shí)平均速度，時(shí)平均壓強(qiáng)、時(shí)平均濃度，無(wú)法去揭示湍流微結(jié)構(gòu)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用。因此在絮凝動(dòng)力學(xué)的研究中應(yīng)從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度，即從亞微觀尺度上進(jìn)行研究。上述絮凝的湍流研究學(xué)派正是因?yàn)椴捎媒y(tǒng)計(jì)時(shí)平均的宏觀流動(dòng)計(jì)算方法，所以就無(wú)法揭示絮凝的動(dòng)

2．絮凝的動(dòng)力致因

　　有人認(rèn)為湍流中顆粒碰撞是由湍流脈動(dòng)造成的。這種認(rèn)識(shí)不很確切。實(shí)際上湍流并不存在脈動(dòng)，所謂的脈動(dòng)是由于所采用的研究方法造成的。人們用流體力學(xué)傳統(tǒng)的研究方法歐拉法進(jìn)行研究，即在固定的空間點(diǎn)觀察水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間變化，這樣不同時(shí)刻有不同大小的湍流渦旋的不同部位通過(guò)固定的空間點(diǎn)，因此在固定的空間點(diǎn)上測(cè)得的速度呈現(xiàn)強(qiáng)烈的脈動(dòng)現(xiàn)象。如果我們跟隨水流質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)，去觀察其運(yùn)動(dòng)情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)水體質(zhì)點(diǎn)的速度變化是連續(xù)的，根本不存在脈動(dòng)。實(shí)際上水是連續(xù)介質(zhì)。水中的速度分布是連續(xù)的，沒(méi)有任何跳躍。水中兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距為無(wú)窮小時(shí)，其速度差亦為無(wú)窮小，即無(wú)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(yùn)動(dòng)，由于沒(méi)有速度差就不會(huì)發(fā)生碰撞。由此可見(jiàn)要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣水流就會(huì)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水力阻力。設(shè)顆粒的形狀為球形，其半徑為r₀，顆粒與水流相對(duì)速度為υ，水的密度為ρ，球形顆粒所受水力阻力Fd可按下式計(jì)算

　　F_d＝C_dπr₀²(ρυ²/2）

　　式中：Cd為水流的繞流阻力系數(shù)

　　單位質(zhì)量球形顆粒所受的水力阻力f_d 為

　　f_d=[F_d/(4/3πγ₀³）]=3C_dρυ²/8ρ₀r₀ ^[2]

　　式中ρ0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(jiàn)單位質(zhì)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(zhì)量所受水力阻力越小。上面討論雖然是針對(duì)球形的，但對(duì)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(chǎn)生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆地的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)呢?最好的辦法是改變水流的速度。因?yàn)樗膽T性(密變化時(shí)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(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(shí)平均速度大小，水力脈沖澄清池、波形反應(yīng)池、孔室反應(yīng)池以及濾池的微絮凝作用主要就是利用水流時(shí)平均速度變化造成的慣性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行絮凝；(2)是改變水流方向，因?yàn)橥牧髦谐錆M(mǎn)著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷地在改變自己的 運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)水流作渦旋運(yùn)動(dòng)時(shí)在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為不同尺度顆粒沿湍流渦旋的徑 向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質(zhì)量所受離心慣性力是不同的，這個(gè)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(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。在湍流渦旋中取一個(gè)小的脫離體，顯然沿徑向方向作用在該脫離體上有兩個(gè)力，一是離心力；二是壓力的合力。兩者相平衡。如果把坐標(biāo)原點(diǎn)取在運(yùn)動(dòng)的渦旋的中心上，則可寫(xiě)成如下方程：

　　

　　式中r為渦旋半徑；υθ為脫離體處渦旋的切向速度；公式左側(cè)為作用在脫離體上壓力合力，右側(cè)為脫離所受的離心慣性力。設(shè) 想與脫離體同一位置有一固體顆粒，如果它與水流同步運(yùn)動(dòng)，它所受的壓力合力與上面一樣，由于它等于脫離體所受離心力，故可以寫(xiě)成。ρ（υ_θ²/r）。該固體顆粒所受的離心力為ρ0（υ_θ²/r）。故該固體顆粒所受凈離心力(離心力與壓力之差)為(ρ₀-ρ）υ_θ²/r ^[2]
　　固體顆粒在其作用下沿渦旋的徑向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楣腆w顆粒所受的水力阻力即為液體對(duì)其拖動(dòng)力。而固體顆粒單位質(zhì)量所受 的水力阻力隨尺度增大而減少，即顆粒尺度越大，單位質(zhì)量所受拖動(dòng)力越小。因此顆粗尺度越大其跟隨性越差，即其速度與其所在地液體的速度差別越大，單位質(zhì)量所受離心力越小，這樣必然有這樣一種情況，在一個(gè)特定的湍流渦旋中的某一個(gè)地方必然有一個(gè)特定顆粒直徑Dc，它所受的離心力與壓力合力正好相等。當(dāng)顆粒尺度＜Dc時(shí)，顆粒在離心力作用下沿渦旋徑向向外側(cè)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)顆粒直徑＞Dc時(shí)顆粒在壓力作用下向渦旋內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。這一作用加大了不同尺度顆粒沿徑向碰撞的幾率。
　　顆粒沿渦旋徑向碰撞的幾率隨渦旋的離心慣性力的加大而加大這是顯然。用λ表示渦旋尺度的特征值，用ε表示單位水體的能耗。因此可用下式計(jì)算渦旋的雷諾數(shù)Rew＝υ·λ/v，式中v＝μ/ρ為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。渦旋雷諾數(shù)表示渦旋的慣性力與粘 性力之比。當(dāng)兩者相等時(shí)的渦旋尺度特征值λ0滿(mǎn)足，υ·λ0/v=1從理論上可以推出，λ₀＝(ε0/v）1/4，式中ε₀＝ε/ρ為單位質(zhì)量水體的能耗。當(dāng)渦旋尺度λ＞＞λ0，渦旋中的慣性力是主要的，粘性力可略去。此時(shí)渦旋中速度的特征值υλ主要與ρ、λ、ε三個(gè)因素有關(guān)，用這三個(gè)因素可以組成一個(gè)速度因子(其有速度因次)，(ελ/ρ)^1/3，可以認(rèn)為υλ量級(jí)由 這一速度因子決定，表示為υλ～(ελ/ρ)^1/3而當(dāng)λ＜λ0時(shí)，渦旋中粘性力起主要作用，此時(shí)應(yīng)用υ與λ形成速度因子，故

　　υλ～（υ/λ）

　　當(dāng)λ＞λ0時(shí)，渦旋的特征周期Tλ只與λ、ε、ρ有關(guān)，其量級(jí)可用由三者形成的時(shí)間因子 (λ²ρ/ε）^1/3來(lái)決定，即

　　T_λ～（λ²ρ/ε）^1/3

　　而渦旋的速度特征值

　　υ_λ～dλ/dT～λ/Tλ

　　渦旋的加速度特征值

　　α_λ～dυλ/dT～υ_λ/T_λ～ε0^2/3/λ^1/3

　　由上式可見(jiàn)渦旋的加速度(單位質(zhì)量慣性力)隨渦旋尺度減少而增加。也就是說(shuō)渦旋越小，其慣性力越強(qiáng)。當(dāng)渦旋尺度特征值達(dá)到λ₀時(shí)，其加速度最大，慣性效應(yīng)最強(qiáng)。由此可見(jiàn)湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動(dòng)力學(xué)致因。在初期絮凝中λ₀量級(jí)的渦旋起了重要的作用。
　　由上面的理論論述可以看出，如果能在絮凝池中大幅度度地加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數(shù)，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的流動(dòng)通道上增設(shè)多層小孔眼格網(wǎng)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于過(guò)網(wǎng)水流的慣性作用，使過(guò)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(shè)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(jí)。當(dāng)增設(shè)格網(wǎng)之后，最小渦旋尺度與網(wǎng)眼尺度同一數(shù)量級(jí)。
　　增設(shè)小孔眼格網(wǎng)之后有如下作用：(1) 水流通過(guò)格網(wǎng)的區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強(qiáng)，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(qiáng)，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù)；(3)由于過(guò)網(wǎng)水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸附能級(jí)低的部分，由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸能級(jí)的部位，這樣就使得通過(guò)網(wǎng)格之后礬花變得更密實(shí)。

3.礬花的合理的有效碰撞

　　要達(dá)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(lái)的碰撞稱(chēng)之為有效碰撞。如果在絮凝中顆粒凝聚長(zhǎng)大得過(guò)快會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：(1)礬花長(zhǎng)得過(guò)快其強(qiáng)度則減弱，在流動(dòng)過(guò)程中遇到強(qiáng)的剪切就會(huì)使吸咐架橋被剪斷，被剪斷的吸咐架橋難再連續(xù)起來(lái)，這種觀象稱(chēng)之為過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象，應(yīng)該被絕對(duì)禁止；(2)一些礬花過(guò)快的長(zhǎng)大水中礬花比表面積急劇減少，一些反應(yīng)不完善的小顆粒失去了反應(yīng)條件，這些小顆粒與大顆粒碰撞幾率急劇減小，很難再長(zhǎng)大起來(lái)。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(zhǎng)得過(guò)慢，礬花長(zhǎng)得過(guò)慢雖然密實(shí)，但當(dāng)其達(dá)到沉淀池時(shí)、還有很多顆粒沒(méi)有長(zhǎng)到沉淀尺度，出水水質(zhì)也不會(huì)好。由此看到在絮疑池設(shè)計(jì)中應(yīng)控制礬花顆粒的合理長(zhǎng)大。
　　礬花的顆粒尺度與其密實(shí)度取決兩方面因素：其一是混凝水解產(chǎn)物形成的吸咐架橋的聯(lián)結(jié)能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個(gè)力的對(duì)比關(guān)系決定了礬花顆粒尺度與其密實(shí)度?；炷齽┬再|(zhì)決定的，而湍流的剪切力是由構(gòu)筑物創(chuàng)造的流動(dòng)條件所決定的。如果在 絮凝池的設(shè)計(jì)中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。
　　應(yīng)該指出，水處理領(lǐng)域內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力相似并沒(méi)有真正建立起來(lái)。很多的小試、中試的試驗(yàn)結(jié)果在生產(chǎn)試驗(yàn)上無(wú)法重視，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(duì)其決定性的動(dòng)力學(xué)因素認(rèn)識(shí)不清，就不知控制什么樣的動(dòng)力學(xué)因素，故此也就不能真正建立起水處理工藝中的動(dòng)力相似。由上面討論我們看到湍流剪切力是絮凝過(guò)程中的控制動(dòng)力學(xué)因素，如果在大小兩個(gè)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(jié)強(qiáng)度的礬花顆?？梢栽趦蓚€(gè)不同尺度的絮凝過(guò)程中同時(shí)存在。這在某種意義上也就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)絮凝過(guò)程絮凝效果的相似。湍流剪切力是由湍流渦旋造成的。設(shè)想一個(gè)礬花位于湍流渦旋之中，由于此渦旋外側(cè)流速大，內(nèi)側(cè)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(qiáng)度。顯然渦旋尺度越小，渦旋強(qiáng)度越大，渦旋對(duì)礬花的剪切作用越強(qiáng)。湍流中充滿(mǎn)著大量大大小小的渦旋，因此渦旋尺度是隨機(jī)的。這里所說(shuō)的渦旋尺度可用均勻各向同性湍流中渦旋尺度統(tǒng)計(jì)特征物理量渦旋積分比尺代表，可以認(rèn)為它是湍流中最大渦旋的特征尺度。它主要取決于流動(dòng)空間尺度與流動(dòng)速度兩個(gè)因素。流動(dòng)空間越大，渦旋尺度越大；在同一空間尺度下流動(dòng)速度越大，渦旋尺度越小。由此可以認(rèn)為湍流剪切力與流動(dòng)空間尺度成反比，與流動(dòng)速度成正比。而渦旋強(qiáng)度與流動(dòng)速度成正比，這樣就有下面關(guān)系。

　　湍流剪切力～υ²/L

　　式中υ為水流的特征速度；L為流動(dòng)空間特征尺度。這樣湍流剪切力的大小可用上面兩個(gè)宏觀物理組成的弗羅德數(shù)Fr＝υ²/gL ^[2]來(lái)確定。實(shí)際上Fr本身就是相似似準(zhǔn)則數(shù)，F(xiàn)r 就表明了水流中慣性力與重力的對(duì)比，在地表面重力是一個(gè)常數(shù)，因此Fr表明了慣性力大小。顯然，在一個(gè)固定的空間中慣性力越大，其湍流剪切力越大。所以Fr表明湍流剪切力的大小。兩個(gè)尺度不同的絮凝過(guò)程當(dāng)其Fr相等時(shí)，其湍流剪切力就相等。因此其絮凝效果就基本相似，這已為大量的小試、中試與生產(chǎn)試驗(yàn)所證實(shí)。
　　嚴(yán)格地講，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?yàn)橥牧骷羟辛ο嗟葧r(shí)兩個(gè)不同的絮疑過(guò)程的礬花聯(lián)結(jié)強(qiáng)度相等。但礬花的密實(shí)度與沉淀性能卻不一定相同，礬花的密實(shí)程度可用湍動(dòng)度σ來(lái)控制：

　　

　　式中，u′x，u′y，u′z為空間點(diǎn)沿x、y、z方向的脈動(dòng)速度；υ為空間點(diǎn)的時(shí)平均速度。顯然。值越大表明在固定時(shí)間內(nèi)流過(guò)固定空間 點(diǎn)的渦旋數(shù)量越多，渦旋強(qiáng)度越大，礬花也越密實(shí)。在實(shí)際工程中是不可能測(cè)定σ的。慶幸的是當(dāng)湍流剪切力相等時(shí)，即當(dāng)Fr相等時(shí)，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強(qiáng)度越大，形成的礬花越密實(shí)，這已為試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。這樣就可以保證把小尺度的試驗(yàn)結(jié)果按照Fr相等來(lái)放大，放大后的絮凝效果會(huì)更好、更可靠。

4．混合與初級(jí)混凝

　　混合是反應(yīng)第一關(guān)，也是非常重要的一關(guān)。在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地?cái)U(kuò)散到水體中的每一個(gè)細(xì)部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚這樣才能得到好的絮凝效果。因?yàn)樵诨旌线^(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生膠體顆粒脫穩(wěn)與凝聚，可以把這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為初級(jí)混凝過(guò)程。但這個(gè)過(guò)程?；旌蠁?wèn)題實(shí)質(zhì)上是混凝劑水解產(chǎn)物在水體中擴(kuò)散問(wèn)題。其擴(kuò)散系數(shù)目由下面兩個(gè)公式計(jì)算：

　　K～α（ε₀λ）^1/3λ ^[1] （λ＞λ₀）

　　K～β[（ε₀/v）λ]^{1/2 [1]} （λ＜λ₀）

　　式中α、β是兩個(gè)待定系數(shù)。由上面公式可以看到，當(dāng)研究范圍尺度在λ＞λ0與λ＜λ0 與兩種不同情況下其擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)律截然不同，而且當(dāng)研究尺度λ越大時(shí)，其擴(kuò)散系數(shù)越大，當(dāng)λ越小時(shí)其擴(kuò)散系數(shù)越小，當(dāng)研究的尺度差別很大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣混凝劑水解產(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴(kuò)散應(yīng)分為兩類(lèi)：(1)宏觀擴(kuò)散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體各個(gè)宏觀部位，其擴(kuò)散系數(shù)很大，這部分?jǐn)U散是由大渦旋的動(dòng)力作用導(dǎo)致的，故此宏觀擴(kuò)散可以短時(shí)間內(nèi)完成；(2)亞微觀擴(kuò)散，即混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位的擴(kuò)散，這部分?jǐn)U散系數(shù)比宏觀擴(kuò)散小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。亞微觀擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散。因此使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體每一個(gè)細(xì)部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀擴(kuò)散是決定性作用的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在高濁水的處理中混凝劑水解產(chǎn)物的亞微觀擴(kuò)散成為控制處理效果的決定性因素。由于混凝劑的水解產(chǎn)物向極鄰近部擴(kuò)散的速度非常慢，在高濁期水中膠體顆粒數(shù)量非常多，因此沒(méi)等混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位擴(kuò)散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時(shí)期有些地方混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些地方還根本沒(méi)有?；炷齽┚植考械牡胤降\花迅速長(zhǎng)大，形成松散的礬花顆粒，遇到強(qiáng)的剪切力吸附橋則被剪斷，出現(xiàn)了局部過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象。藥劑沒(méi)擴(kuò)散到的地方膠體顆粒尚未脫穩(wěn)，這部分絮凝反應(yīng)勢(shì)必不完善，這一方面是因?yàn)樗鼈兏簧弦衙摲€(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因?yàn)榛炷齽┘袇^(qū)域礬花迅速不合理長(zhǎng)大，也使未脫穩(wěn)的膠體顆粒失去了反應(yīng)碰撞條件。這樣就導(dǎo)致了高濁時(shí)期污泥沉淀性能很差，水廠(chǎng)出水水質(zhì)不能保證。按傳統(tǒng)工藝建造的水廠(chǎng)，在特大高濁時(shí)都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質(zhì)。由于過(guò)去工程界的人們對(duì)亞微觀傳質(zhì) 現(xiàn)象不認(rèn)識(shí)，對(duì)其傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)致因也不認(rèn)識(shí)，因此傳統(tǒng)的混合設(shè)備無(wú)能力解決高濁時(shí)混合不均問(wèn)題，這不僅使水廠(chǎng)在特大高濁時(shí)大幅度降低處理能力。而且造成藥劑的嚴(yán)重浪費(fèi)和造成出水的pH值過(guò)低。
　　亞微觀擴(kuò)散究其實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律與用蜚克定律描寫(xiě)的宏觀擴(kuò)散規(guī)律完全不同。當(dāng)研究尺度接近湍流微結(jié)構(gòu)尺度時(shí)，物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程不一定是從濃度高 的地方往低的地方擴(kuò)散。在湍動(dòng)水流中亞致的物質(zhì)遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性 效應(yīng)。我們發(fā)明的串聯(lián)管式初級(jí)混凝設(shè)備和管式微渦初級(jí)混凝設(shè)備，就是利用高比微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀傳質(zhì)速率。生產(chǎn)使用證明這兩種設(shè)備在高濁時(shí)混合效果良好，不僅比傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節(jié)省了投藥量。

結(jié)　論

　　本文首次從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度(即亞微觀尺度)討論了流動(dòng)水體中顆粒碰撞(物相接觸)和混凝劑水解產(chǎn)物的亞微觀傳質(zhì)這兩個(gè)物理過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)致因，這正是混凝過(guò)程和多相流動(dòng)物系反應(yīng)過(guò)程中最重要的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，也是其動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題。目前在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的多相流動(dòng)物系反應(yīng)工藝中，其反應(yīng)不是化學(xué)反應(yīng)就是生化反應(yīng)。眾所周知，化學(xué)反應(yīng)速度非常迅速，生化反應(yīng)在生物酶存在的情況下，其反應(yīng)速率也遠(yuǎn)大于物相接觸，特別是遠(yuǎn)大于亞微觀傳質(zhì)的速率。因此在這些工藝過(guò)程中提高物相接觸和亞微觀傳質(zhì)速率就成為提高工藝效率和工藝品質(zhì)的關(guān)鍵。可以預(yù)見(jiàn)本文所揭示的自然規(guī)律必將對(duì)其相關(guān)領(lǐng)域的工藝進(jìn)步起到重要的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

　　[1]列維奇 理化學(xué)流體力學(xué)科技出版社
　　[2]王紹文 論絮凝的動(dòng)力學(xué)致因 給水與廢水處理國(guó)際會(huì)議論文集
　　[3]王紹文 渦旋混凝低麥冬沉淀給水處理技術(shù)工作機(jī)理水與廢水技術(shù)研究