1.本发明属于环境保护技术领域，具体的是一种精确化计算絮体强度的装置和方法。
背景技术：2.混凝是水处理过程中常见的工艺，主要用于去除水中的胶体及一些浊质颗粒。目前针对混凝效果的评价指标包括出水水质以及絮凝体形态学评价指标。其中絮体的评价指标主要集中在粒径、分形维数等参数的评价，而对絮体的强度检测报道较少。
3.目前已报道的絮体强度测试主要依靠在机械搅拌条件下，对絮体进行破碎，然后对絮体破碎前后絮体自身的粒径进行分析，根据破碎前后粒径比值得出絮体的破碎因子和恢复因子，这种方式是基于絮体粒径变化的间接计算，并没有直接从微观层面上对絮体强度进行表征。另有文献报道采用毛细力作用将单个絮体进行拉伸形变使之破坏，通过测试毛细力大小从而得出絮体强度值，但该种方法装置复杂，且仅适用于测试粒径小于毛细管的絮体的强度。
4.目前，申请号为2014103365765的中国专利报道了一种利用絮体颗粒间粘结力和分形维数之间的关系进行絮体粘结力的测试计算方法，也属于一种间接测试方法。
5.因此，如何能给出一种絮体强度较为精确的直接测试评价方法成为一个亟需解决的技术问题。
技术实现要素：6.本发明提供一种在层流条件下精确化计算絮体强度的装置及方法，利用流体粘性剪切力对絮体进行剪切破坏从而得到絮体强度的精确值。
7.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，包括同轴设置的内筒、外筒；该内筒和外筒之间具有间隙b；所述外筒与水平底座通过外筒底座以法兰形式进行连接；内筒中央安装有螺杆，该螺杆一端通过轴承安装在外筒底座上，螺杆的另一端和电机传动连接，电机通过电机固定支架安装在水平底座上；所述电机通过电缆与电机控制器相连接。
8.所述内筒为实体结构。
9.所述水平底座上安装有调平旋钮和水准泡。
10.所述内筒和外筒之间的间隙b为5mm；内筒的直径为30-40mm，外筒直径为40-50mm；内筒转速为35-80r/min。
11.一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的方法，具体按以下步骤进行：步骤1、在进行絮体强度计算时，将絮体内部的粘性力定义为b；当内筒旋转，外筒保持静止时，内外筒间隙中的流体随内筒一同保持旋转；流体在层流条件下旋转并产生剪切力，当加入内外筒间隙中的絮体受到的流体剪切力f＜絮体内部的粘性力b时，絮体随间隙中的流体同步运动不会破碎；
当达到临界值f≥b时，絮体会发生破碎；根据层流条件下的牛顿内摩擦定律计算间隙中流体的剪切应力，其中为水的运动黏度，du为中心线速度，记为v；dy为表示内外筒间隙的厚度，记为b；步骤2、絮体所受到水流的剪切力f与絮体的投影面积a成正比；剪切力为，其中μ为水的动力黏度；步骤3、当外筒静止，内筒在电机带动下进行旋转时，其转速n可知；根据公式可以获得中心处的线速度v，其中d为中心区直径；步骤4、絮体颗粒的投影面积a可由图像分析软件计算获得；步骤5、只需不断调整内筒旋转速度，增强作用在絮体表面的剪切力，直至絮体发生破碎，记录此时的内筒转速n，即可求出絮体的剪切力f；由于b=f，因此可获得絮体粘性力即絮体强度的精确数值。
12.本发明可较为精确的直接进行絮体强度的计算，同时测试装置简单便携，无需大型复杂精密仪器配合，测试过程中仅需调整内筒转速即可计算絮体粘结强度。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；图1为本发明的结构示意图；图2为图1的主视示意图；其中1-内筒；2-外筒；3-外筒底座；4-轴承；5-螺杆；6-电机；7-电缆；8-电机控制器；9-水平底座；10-调平旋钮；11-水准泡；12-电机固定支架。
具体实施方式
14.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
15.如图1所示，一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，包括同轴设置的内筒1、外筒2，该内筒1和外筒2之间具有间隙b；所述外筒2与水平底座9通过外筒底座3以法兰形式进行连接；内筒1中央安装有螺杆5，该螺杆5通过轴承4安装在外筒底座3上，螺杆5的另一端和电机6传动连接，电机6通过电机固定支架12安装在水平底座9上（电机6通过螺栓与固定支架12连接，固定支架12的底座安装在水平底座9上）。所述电机6通过电缆7与电机控制器8相连接。
16.其中电机6通过电机固定支架12、螺杆5和轴承4以简支结构进行连接，使螺杆5上下端同时被固定以保证同心度，防止内筒转速过高时导致偏心振动。
17.所述内筒1为实体结构，内筒采用实体结构主要为了让螺杆5可以完全贯穿形成简支结构，考虑加工的便捷性此处采用实心筒而非空心筒。
18.所述水平底座9上安装有调平旋钮10和水准泡11。保证内外筒的同心度以确保层流条件。
19.整个计算絮体的过程需控制在层流条件下，层流下的雷诺数理论值为0~2300，为保证控制层流条件的稳定性及絮体强度计算的精准性，应将雷诺数控制在1500以下，以确保流体的层流条件。为避免毛细现象和保证絮体的完整性，所述内筒1和外筒2之间的间隙b，即流层间距b应在5mm，内筒直径宜在30-40mm，外筒直径宜在40-50mm，内筒转速宜在35-80r/min。
20.一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的方法，具体按以下步骤进行：当开始进行絮体分析测试时，开启电机6，内筒1在螺杆5的带动下旋转，初始内筒转速宜在30-40r/min，即将测试区的絮体样本旋转至悬浮态即可。
21.进一步地，逐步提高内筒转速，每种转速条件下运行时间宜在2-3min之间。在每种转速下观察絮体颗粒的破坏情况，当在某一转速下，絮体发生明显破坏时，记录此时内筒转速n1。所述的内筒转速最终宜稳定在35-80r/min。
22.进一步地，已知外筒的内径为，内筒的外径为，其流层间距；絮体强度测试区中心线速度为，其中d为中心区直径d=内筒直径+流层间距=
ꢀꢀ
。
23.进一步地，根据在层流条件下利用牛顿内摩擦定理 计算剪切应力。将絮体强度测试区中心线速度v代入，其中μ取在压强为101.325kpa，温度为20℃的条件下，水运动黏度。絮体面积a可由图像分析软件，如：imagepro plus、巴拓图像分析软件、digimizer等图像分析软件分析获得。
24.进一步地，当絮体受到的流体剪切力f≤与颗粒内部的粘性力b达到平衡时 ，颗粒将达到临界破坏，当f≥b时，絮体发生破碎。因此只需不断调整内筒旋转速度，增强作用在颗粒表面的牵引力，直至颗粒发生破碎，此时即可求出颗粒的粘性力b，即可定量描述分析絮体的强度。
25.整个计算絮体的过程需控制在层流条件下，层流下的雷诺数理论值为0~2300，为保证控制层流条件的稳定性及絮体强度计算的精准性，本实例将雷诺数控制在1500以内，利用液层雷诺数进行校验，其中，r为液层水力半径。
26.校验方法（参照雷诺实验）：（1）将内外筒间隙充满去离子水，将电机调整至35-80r/min，如：65r/min，内筒开
始以65r/min开始旋转。
27.（2）在2ml玻璃移液管中移取2ml红色液体，将玻璃移液管伸入内外筒间隙的去离子水中，缓慢将移液管中液体释放进去离子水中，观察有色液体形成的流线，若形成明显的红色线条，则表明此时流体处于层流状态。
28.进一步地，内筒转动时，液层内流体水平转动，流体通过的截面为矩形，则液层水力半径，其中为湿周，h为内外筒的高度。
29.通过上述计算公式主要为内外筒提供雷诺数re的计算方法，从而计算不同内外筒尺寸下，流层在哪种转速下可以保持层流状态。
30.当原水浊度为500ntu，搅拌条件为：250rpm快搅30s，80rpm中速搅拌5min，60rpm慢速搅拌15min，分别投加5mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l、25mg/l、30mg/l、35mg/l、40mg/l絮凝剂后，形成不同尺度的絮体，将所形成的絮体分别放入本发明的装置所测得的絮体强度分别为：2.22nn，3.86nn、6.48nn、13.39nn、19.01nn、21.6nn、17.10nn、13.51nn。该数据与专利cn104075950中所报道的絮体强度数据相近。
31.利用本发明可以计算不同混凝条件、不同混凝方式下所形成的絮体强度，可以有效、准确地对絮体的密实程度进行评估，同时可计算并预测絮体的动态变化情况。
32.以上所述本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书。而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
技术特征：1.一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，其特征在于，包括同轴设置的内筒（1）、外筒（2）；该内筒（1）和外筒（2）之间具有间隙b；所述外筒（2）与水平底座（9）通过外筒底座（3）以法兰形式进行连接；内筒（1）中央安装有螺杆（5），该螺杆（5）一端通过轴承（4）安装在外筒底座（3）上，螺杆（5）的另一端和电机（6）传动连接，电机（6）通过电机固定支架（12）安装在水平底座（9）上；所述电机（6）通过电缆（7）与电机控制器（8）相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，其特征在于，所述内筒（1）为实体结构。3.根据权利要求1所述的一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，其特征在于，所述水平底座（9）上安装有调平旋钮（10）和水准泡（11）。4.根据权利要求1所述的一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，其特征在于，所述内筒（1）和外筒（2）之间的间隙b为5mm；内筒（1）的直径为30-40mm，外筒（2）直径为40-50mm；内筒（1）转速为35-80r/min。5.一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：步骤1、在进行絮体强度计算时，将絮体内部的粘性力定义为b；当内筒旋转，外筒保持静止时，内外筒间隙中的流体随内筒一同保持旋转；流体在层流条件下旋转并产生剪切力，当加入内外筒间隙中的絮体受到的流体剪切力f＜絮体内部的粘性力b时，絮体随间隙中的流体同步运动不会破碎；当达到临界值f≥b时，絮体会发生破碎；根据层流条件下的牛顿内摩擦定律计算间隙中流体的剪切应力，其中 为水的运动黏度，du为中心线速度，记为v；dy为表示内外筒间隙的厚度，记为b；步骤2、絮体所受到水流的剪切力f与絮体的投影面积a成正比；剪切力为，其中μ为水的动力黏度；步骤3、当外筒静止，内筒在电机带动下进行旋转时，其转速n可知；根据公式可以获得中心处的线速度v，其中d为中心区直径；步骤4、絮体颗粒的投影面积a可由图像分析软件计算获得；步骤5、只需不断调整内筒旋转速度，增强作用在絮体表面的剪切力，直至絮体发生破碎，记录此时的内筒转速n，即可求出絮体的剪切力f；由于b=f，因此可获得絮体粘性力即絮体强度的精确数值。
技术总结一种基于层流条件下的精确化计算絮体强度的装置，包括同轴设置的内筒、外筒；该内筒和外筒之间具有间隙b；所述外筒与水平底座通过外筒底座以法兰形式进行连接；内筒中央安装有螺杆，该螺杆一端通过轴承安装在外筒底座上，螺杆的另一端和电机传动连接，电机通过电机固定支架安装在水平底座上；所述电机通过电缆与电机控制器相连接。计算絮体强度的方法是主要利用在层流条件下，当流体的粘性剪切力F与絮体的粘性力B相当时会造成絮体破坏的原理进行计算，通过牛顿内摩擦定律计算絮体所受剪切力从而获得絮体强度。该发明测试手段简便，计算结果较为准确，可用于定量测试絮体强度。可用于定量测试絮体强度。可用于定量测试絮体强度。
技术研发人员：丁昀 杨庆 赵俊光 明金洋 马乐 郭文婧 何宗飞
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/7/5
