絮凝反应的水力条件是影响絮凝沉淀效果的重要因素,不同工艺形式的絮凝设备、装置及絮凝池的水力条件决定了絮凝效果及效能。但由于絮凝过程中水流流态尤其是湍流运动的复杂性,导致絮凝动力学领域的研究存在一定的局限性,目前尚无法科学、系统、合理的解释真正的絮凝动力学致因。此外,净水厂常用的絮凝工艺中,絮凝效果及运行效能均存在不足之处。因此,结合相关领域的新技术和新方法,研发新型的低能耗、流场流态可控性及絮凝效果好的新型絮凝反应装置;深入探究其絮凝动力学与絮凝效果间的内在联系及影响规律,进一步揭示絮凝反应的动力学致因,对提高絮凝工艺效能具有重要的理论意义及实用价值。本课题在絮凝动力学原理的基础上,开发了新型水力桨絮凝池(Hydraulic Impeller Flocculator,HI-F),并从理论探讨和试验分析两个方面对HI-F的工作原理及工艺过程进行了深入的研究。结合粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术和计算流体力学流场模拟分析(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的有机结合,研究了HI-F絮凝反应过程中旋流产生的水力学效果、微涡旋变化与絮体成长过程的关系及絮凝池流场中涡旋数量和尺度的变化情况,明确了HI-F的絮凝效果与流场特征关系响应机制,阐述了基于流场模拟的HI-F运行效能及控制方法。针对HI-F运行工况的优化研究表明:HI-F的最佳运行工况为絮凝初期阶段采用轴相邻同向旋转的水力桨布置形式,中后期采用轴线相邻对向旋转的布置形式。对于低浊水全部采用对向旋转水力桨,反应时间能够控制在8 min以内,比相同工况的往复隔板絮凝池和网格絮凝池絮凝剂投加量分别降低29.7%和23.7%;对于低温低浊水相对于网格絮凝池(Grid Flocculator,G-F)投加量可降低25.4%。不同流量下HI-F的水头损失仅为G-F的42.1%~51.2%。在HI-F流场特征研究中,明确了湍流剪切力的控制机制。水力桨组合分为单桨,轴向双桨,径向相邻双桨同向旋转,径向相邻双桨对向旋转四种情况,研究了不同工况下水力桨作用形成的流场特征、水力桨水力条件评价及对应的絮凝动力学效果。研究结果表明,轴向连续水力桨可保持竖井中旋流的持续性;径向相邻同向旋转水力桨可增大旋流间的剪切力;径向相邻对向旋转的水力桨则可降低旋流间的剪切力。基于PIV粒子图像测速技术对HI-F的实际流场特征,流速分布及矢量情况进行了分析研究,揭示了微涡旋的数量、大小、强度的合理分布是影响絮凝反应效果的动力学致因。阐明了HI-F中水力桨形成旋流及旋流间相互作用形成更多的小涡旋、微涡旋的作用机理。以特定区域流速变化规律为参照,将PIV测定结果与流场数值模拟中四种湍流模型(Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε和LES)的模拟结果进行了对比分析,综合分析结果表明:RNG k-ε湍流模型为流场数值模拟的最佳模型。为进一步提高数值模拟结果的准确度和精确度,采用“非平衡函数”和“PISO压力-速度耦合算法”对RNG k-ε湍流模型的参数设置进行了修正;其中,压力、动量、k和ε等项的亚松弛因子分别修正为:0.3、0.6、0.6、0.7。基于计算流体力学流场模拟(CFD,Fluent12.0)技术,本文对HI-F不同水力桨组合情况的流场特征进行了全方位的模拟计算,以流速、压力、速度梯度、湍动能、湍动耗散率的变化情况为评价指标,进一步阐明了HI-F有利于提高絮凝池效能絮凝动力学致因。根据絮凝反应各阶段特点,对优选的水力桨工艺组合进行了实际絮凝效果测定,并与目前较为常用的网格絮凝池进行了全面的对比。结果表明,HI-F工艺的水头损失降低了40%以上,压力、速度梯度分布更有利于絮体成长,避免了絮体破碎。