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混凝过程中絮凝体的标度可变性及其分形仿真模拟

作　者: 冯永宁
导　师: 金鹏康
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 环境科学
关键词: 絮凝体构造特征分形维数标度可变性仿真模拟
分类号: TU991.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

优化与调控混凝过程从而形成结构致密、尺寸较大、易于固液分离的絮凝体是确保混凝效果的关键。为此，本研究在国家自然科学基金项目的资助下，研究了混凝过程中絮凝体的动态演变规律及絮凝体构造特征的影响因素，同时对絮凝体进行了三维DLA-DLCA仿真模拟。基于前期研究结果，论文选取了pH=5（腐殖酸最佳混凝pH）和pH=7（常规水处理pH）两种条件，研究了腐殖酸混凝过程中絮凝体的动态变化规律。研究结果表明，两种条件下的絮凝体均具有分形构造特征。其中，在pH=5的条件下，絮凝体二维、三维分形维数随着尺寸的增大而不断减小，随后基本保持不变，而自由沉速随搅拌时间的延长呈现先增大后减小最终保持不变的变化规律；中性条件下，絮凝体二维分形维数同样随絮凝体尺寸增加而减小，而三维分形维数和自由沉速都是呈现先增大后减小最后保持基本不变的变化过程，二者具有较好的相关性。这一结果表明，以腐殖酸为代表的天然有机物在混凝过程中存在标度可变的特点，即随着颗粒尺度增加，其分形维数也会随之发生变化。基于分形理论，分形体的特征之一在于标度不变性，即随着分形体尺度的增加或减小，其分形维数不发生任何变化。为了揭示混凝过程中絮凝体的标度可变性机理，以初始粒径为60μm的铁粉颗粒为研究对象，分析计算了铁粉颗粒自然凝聚过程的形态特征。结果显示，铁粉自然凝聚形成的随机分形体具有明显的分形特征，凝聚体的分形维数不会随着尺度的改变而发生变化。比较以铁粉为代表的在自然力和以腐殖酸为代表的在水力剪切条件下的两种随机凝聚可知，造成混凝过程中絮凝体标度可变的主要原因在于引入了水力剪切的外力干扰，破坏了随机碰撞结合的自然形成过程，改变了絮凝体的成长机制和构造特征，即只要有外力干扰那么分形体在成长过程中就很难维持标度不变的特性。论文同时研究了不同水力剪切条件和水中离子环境对混凝过程及絮凝体构造的影响。研究结果表明，水力搅拌条件对以腐殖酸为代表的天然有机物混凝具有显著影响。其中初期搅拌条件处于核心地位，其对混凝剂的快速混合扩散及初期絮凝体的密实化起到至关重要的作用；而慢速搅拌强度主要影响初期絮凝体的碰撞结合速率及最终絮凝体的形态特征。水中SO₄^2-和SiO₃^2-等阴离子对絮凝体的构造具有负面影响，而以Ca²⁺、Mg²⁺为代表的高价阳离子或多或少都对形成结构密实、尺寸较大的絮凝体起到促进作用。分析探讨腐殖酸絮凝体成长过程与机制，得出腐殖酸絮凝体的形成过程符合DLA-DLCA两阶段凝聚模型，并基于DLA-DLCA两阶段模型对絮凝体进行三维分形仿真模拟。结果表明，模拟絮凝体的三维分形维数与两个成长阶段的比例有关。因此，可以通过控制两阶段的模拟参数来改变两个阶段的比例，进而达到控制絮凝体性状的目的。实验表明，模拟絮凝体与腐殖酸真实絮凝体的形态学相似度较高。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 研究的目的和意义  11-12
  1.3 研究内容  12-13
  1.4 论文的构成  13-15
2 混凝过程及絮凝体构造特征的研究方法  15-27
  2.1 混凝过程的光学在线监测原理和方法  15-16
  2.2 絮凝体形态学研究  16-23
    2.2.1 分形理论及其在混凝中的应用  16-17
    2.2.2 絮凝体形态学参数的测定方法  17-23
  2.3 絮凝体强度分析方法  23-27
3 实验部分  27-31
  3.1 实验系统与仪器  27-28
    3.1.1 实验系统  27-28
    3.1.2 实验仪器  28
  3.2 实验材料与操作  28-31
    3.2.1 主要实验药剂  28
    3.2.2 腐殖酸水样的配制  28
    3.2.3 混凝剂的配制  28-29
    3.2.4 混凝操作条件  29-31
4 腐殖酸混凝过程中絮凝体的动态变化规律  31-45
  4.1 PH=5 的条件下絮凝体的成长变化过程  31-37
    4.1.1 pH=5 时混凝过程中 FI 曲线的变化  31-32
    4.1.2 pH=5 时絮凝体平均粒径随时间的变化规律  32-33
    4.1.3 pH=5 时絮凝体分形维数及自由沉速的动态变化  33-37
  4.2 中性条件下絮凝体的成长变化过程  37-43
    4.2.1 中性条件下混凝过程中 FI 曲线的变化  37-38
    4.2.2 中性条件下絮凝体平均粒径随时间的变化规律  38-39
    4.2.3 中性条件下絮凝体分形维数及自由沉速的动态变化  39-43
  4.3 本章小结  43-45
5 分形理论体系下凝聚体标度可变性的机理探讨  45-65
  5.1 自然聚集过程中凝聚体的标度不变性  45-50
    5.1.1 自然状态下的分形物质及其特性  45-46
    5.1.2 铁粉自然凝聚过程中凝聚体的标度不变性  46-50
  5.2 外力干扰对分形物质形成过程及构造的影响  50-63
    5.2.1 絮凝体标度可变性的机理探讨  50-51
    5.2.2 水力搅拌条件对絮凝体形成过程及构造特征的影响  51-60
    5.2.3 离子环境对絮凝体构造特征的影响  60-63
  5.3 本章小结  63-65
6 腐殖酸絮凝体的分形仿真模拟  65-75
  6.1 腐殖酸絮凝体成长模式及其模型建立  65-66
  6.2 腐殖酸絮凝体三维 DLA-DLCA 模型模拟  66-72
    6.2.1 DLA-DLCA 两阶段模型的分形仿真模拟计算方法  66-68
    6.2.2 模拟絮凝体三维分形维数计算方法  68
    6.2.3 DLA-DLCA 两阶段模型模拟结果  68-71
    6.2.4 模拟絮凝体与真实絮凝体形态学特征相似度分析  71-72
  6.3 本章小结  72-75
7 结论  75-77
致谢  77-79
参考文献  79-85
研究生在读期间的研究成果  85

混凝过程中絮凝体的标度可变性及其分形仿真模拟

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