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慣性效應(yīng)在混凝中的動(dòng)力學(xué)作用
（提要）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)。一、絮凝動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀
絮凝長(zhǎng)大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決下面兩上因素：（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：（略）
式式P為單位水體的能；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)，一直是人們所關(guān)心的湍流的絮凝池。這個(gè)問題一直未有結(jié)論。實(shí)際上，上面公式是層流條件下的速度梯度。對(duì)于湍流來說由于湍動(dòng)渦旋的作用，大大地增加湍流中的動(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)，用此來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)當(dāng)然不會(huì)出現(xiàn)大的問題。但上述公式對(duì)改善現(xiàn)有的絮凝工藝并沒有任何價(jià)值。因?yàn)樘岣咝跄Ч捅仨氃黾铀俣忍荻�，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。但是絮凝過程是速度受限過程，隨著礬花的長(zhǎng)大，水流速度應(yīng)不斷減小。
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)平均議程去計(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，所以就無法揭示絮凝的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。
二、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
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