1、研究背景

   水處理領(lǐng)域，電絮凝技術(shù)因其操作簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染、高效低成本的特點(diǎn)在水處理、河道清淤領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。但氣泡運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)絮凝效果的影響機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)性研究。

   近期，青海大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了一項(xiàng)基于粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了電絮凝過(guò)程中氣泡動(dòng)力學(xué)行為與流場(chǎng)演化的耦合規(guī)律。

   2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

   由中科君達(dá)視界自研的千眼狼3D3C PIV系統(tǒng)與絮凝系統(tǒng)組成。

   1. 粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)：千眼狼PIV高速攝像機(jī)×4臺(tái)，分辨率2560×1920，幀率2000 fps, PIV跨幀時(shí)間300 ns，用于捕捉氣泡瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)。脈沖激光器，能量30 mJ,頻率1 kHz，用于垂直照射實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)區(qū)域，清晰成像示蹤粒子。同步控制器，用于協(xié)調(diào)高速攝像機(jī)與激光器的時(shí)序，詳見(jiàn)圖1。

圖1 千眼狼PIV系統(tǒng)

   2. 電絮凝系統(tǒng)：絮凝池，尺寸180 mm×110 mm×130 mm，鋁制電極板，間距40 mm，可調(diào)直流電源0~30 A。

   3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

   1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

   1.1 實(shí)驗(yàn)溶液由1.3 L的純凈水與1.3 g的NaCI配置而成，溶液溫度為環(huán)境溫度（20°C）。實(shí)驗(yàn)中，泥沙樣本取自黃河上游，經(jīng)清洗、烘干后，取2.6 g的泥沙顆粒加入到實(shí)驗(yàn)溶液中，溶液泥沙濃度為2 g/L，攪拌均勻后放置60 s開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

   1.2 設(shè)置9組電流密度（10~50 A/m²，步長(zhǎng)5 A/ m²），模擬不同工況的電絮凝過(guò)程。

   2. 數(shù)據(jù)采集

   2.1 設(shè)置激光脈沖頻率為200 Hz, A、B兩路激光強(qiáng)度設(shè)置為10 A，調(diào)節(jié)導(dǎo)光臂使激光照射面與相機(jī)觀(guān)測(cè)面平行，調(diào)節(jié)焦距使得相機(jī)畫(huà)面聚焦在激光照射面。

   2.2 采用PIV系統(tǒng)連續(xù)觀(guān)測(cè)9種不同電流密度下氣泡運(yùn)動(dòng)，共采集5500幀圖像數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，隨著電流密度增加，電極表面氣泡生成速率提升，氣泡分布從溶液表層向深層擴(kuò)展，詳見(jiàn)圖2。

圖2 9組電流密度下電解15s時(shí)氣泡影像

   2.3 PIV流場(chǎng)計(jì)算與可視化研究，基于互相關(guān)算法，通過(guò)快速傅里葉變換FFT計(jì)算窗口內(nèi)粒子平均位移及速度。進(jìn)一步采用千眼狼RFlow4流場(chǎng)測(cè)量軟件，基于Ω準(zhǔn)則計(jì)算流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)分布，以Ω=0.52識(shí)別旋渦邊界，繪制渦量云圖，精確量化渦旋數(shù)量與強(qiáng)度分布，詳見(jiàn)圖3。

圖3 9組電流密度下Omega分布云圖

   4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

   實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同電流密度下泥沙粒徑及溶液濁度變化。在電流密度為40 A/m²時(shí)，D/V（平均粒徑與平均速度之比）達(dá)到最大，去除效率最高，表明此條件下絮團(tuán)形成和穩(wěn)定性最佳。氣浮夾帶和絮凝沉降是影響濁度減小的主要因素，分界粒徑為37.2 μm。小于該粒徑的泥沙顆粒主要通過(guò)氣浮夾帶去除，大于該粒徑的顆粒則主要通過(guò)絮凝沉降去除。

   5、結(jié)語(yǔ)

   中科君達(dá)視界自研的千眼狼PIV系統(tǒng)的高速連續(xù)觀(guān)測(cè)能力和粒子圖像處理能力為深入研究電絮凝過(guò)程提供可視化數(shù)據(jù)支持。通過(guò)精準(zhǔn)捕捉氣泡運(yùn)動(dòng)原始圖像到處理呈現(xiàn)渦量云圖，為優(yōu)化電絮凝效果提供了科學(xué)依據(jù)，可助力解決復(fù)雜流場(chǎng)問(wèn)題，推動(dòng)環(huán)保、化工等領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新。