污水不同排放流速對(duì)擴(kuò)散器內(nèi)海水清除能力數(shù)值模擬研究

于 航，白景峰，王心海

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

污水不同排放流速對(duì)擴(kuò)散器內(nèi)海水清除能力數(shù)值模擬研究

于 航，白景峰，王心海

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

在污水排海工程中，擴(kuò)散器可提供給污水極大的初始稀釋能力，對(duì)海洋生態(tài)及水質(zhì)能夠起到明顯的保護(hù)作用。文章針對(duì)目前污水排海過(guò)程中的海水入侵問(wèn)題，以數(shù)值模擬為主要技術(shù)手段，通過(guò)分析多種污水流速條件下的擴(kuò)散器海水清除過(guò)程，掌握其流場(chǎng)變化機(jī)制。通過(guò)研究得出，在污水流量相對(duì)較大的情況下，污水清除時(shí)間較短，污水出流后與海水混合效果較明顯。初步掌握一般形式下的擴(kuò)散器海水臨界清除流速，為解決實(shí)際工程中的海水清除問(wèn)題，提高工程運(yùn)行效率提供實(shí)際依據(jù)。

擴(kuò)散器；海水清除；數(shù)值模擬

在污水排海工程中，多孔擴(kuò)散器的主要作用是通過(guò)它可以將污水均勻分散地排放到海洋環(huán)境水體中去，因此擴(kuò)散器可提供給污水極大的初始稀釋?zhuān)軌驅(qū)Ｑ笊鷳B(tài)及水質(zhì)起到明顯的保護(hù)作用，已成為污水排海工程成功的關(guān)鍵因素［1］。

1 研究背景

目前污水深海處置工程中的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容是擴(kuò)散器海水清除和防止入侵設(shè)計(jì)，由于工程間歇排放等原因，在很多情況下，海水會(huì)倒灌侵入擴(kuò)散器系統(tǒng)，嚴(yán)重影響擴(kuò)散器排放效果，而要將入侵到擴(kuò)散器系統(tǒng)內(nèi)的海水清除出來(lái)決非易事?，F(xiàn)有的擴(kuò)散器系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)方法尚未將海水入侵與清除問(wèn)題考慮在內(nèi)，海水入侵問(wèn)題在工程設(shè)計(jì)中未能得到很好解決。針對(duì)擴(kuò)散器海水入侵機(jī)理與清除能力的研究，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作。國(guó)外利用數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行該方向研究最早的是Mort、Burrows以及Larsen等人［2］，針對(duì)波浪對(duì)于海水入侵與清除進(jìn)行了分析。后續(xù)Tony、Doyle等人［3］對(duì)該模型進(jìn)行修正和完善，考慮兩種流體密度差對(duì)流動(dòng)的影響。擴(kuò)散器系統(tǒng)海水入侵與清除從流動(dòng)、物質(zhì)的遷移、摻混與擴(kuò)散的角度看是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象，一維數(shù)值模型不足以反映其內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)。鑒于此，英國(guó)Belfast大學(xué)曾建立二維數(shù)值模型對(duì)海水的清除過(guò)程進(jìn)行模擬，認(rèn)為在工程問(wèn)題中所關(guān)心的是沿基本流向的流速變化過(guò)程，因此在計(jì)算中取軸向剖面進(jìn)行二維計(jì)算。陳麗星［4］等人對(duì)于應(yīng)力模型在污水排海工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。綜上所述，數(shù)值模擬技術(shù)能反映擴(kuò)散器系統(tǒng)內(nèi)部的分層流動(dòng)、浮力流動(dòng)和摻混流動(dòng)，有助于從定性的角度對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行理解。但對(duì)于不同流速下的污水清除能力研究目前還不多，鑒于各種實(shí)際因素的影響以及擴(kuò)散器系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)中的考慮不足，海水入侵現(xiàn)象在擴(kuò)散器系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中時(shí)有發(fā)生且危害極大，因此有必要對(duì)污水不同排放流速對(duì)擴(kuò)散器內(nèi)海水的清除能力開(kāi)展數(shù)值模擬研究，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)抵抗海水入侵和清除海水的能力，深刻理解其影響因素，以便在設(shè)計(jì)中采取合理的工程措施，制定合理的運(yùn)行模式，確保污水處置工程的運(yùn)行效率。

因此本文采用概化模型，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，將擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念化設(shè)計(jì)，分析擴(kuò)散器海水入侵過(guò)程的流場(chǎng)變化情況，根據(jù)常規(guī)結(jié)構(gòu)型式對(duì)不同流速條件下擴(kuò)散器內(nèi)部的海水清除能力及流動(dòng)特性進(jìn)行分析，為提高擴(kuò)散器海水清除能力提供理論依據(jù)。通過(guò)研究不同流速情況下擴(kuò)散器內(nèi)海水的清除過(guò)程，初步掌握海水與污水同時(shí)存在下的流動(dòng)特性，對(duì)于提高污水深海排放的研究系統(tǒng)性和完整性是極其必要的，具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。

圖1 排污管及流域整體網(wǎng)格模型Fig.1 Overall grid model of diffusion and watershed

2 數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)設(shè)置

考慮到模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及后續(xù)整體計(jì)算效率，二維模型的構(gòu)建以四邊形網(wǎng)格為主，整體模型方案的搭建及網(wǎng)格劃分分別采用Gambit、Workbench及ICEM來(lái)完成?？紤]到各個(gè)污水排海工程的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)各有不同，因此本文中才用概化模型，將計(jì)算模型設(shè)置為最為常規(guī)的參數(shù)設(shè)置，選取每個(gè)上升管帶有2個(gè)噴口的結(jié)構(gòu)型式，擴(kuò)散器模型長(zhǎng)度及上升管數(shù)量選取則依據(jù)目前排海工程的常規(guī)水量10 000 m3/d，設(shè)計(jì)5個(gè)上升管。

（1）排污管模型。

幾何模型尺寸如下：

排污管及計(jì)算流域長(zhǎng)4 000 mm，寬1 254 mm；

主管道長(zhǎng)3 400 mm，直徑54 mm；

支管數(shù)量5、支管長(zhǎng)100 mm，直徑20 mm；

噴口長(zhǎng)20 mm，直徑6.67 mm、10 mm、15 mm，與水平夾角0°、5°、10°；

排污管主管頂部距離水面1 000 mm。

（2）流體模型。

考慮到模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及后續(xù)整體計(jì)算效率，二維模型的構(gòu)建以四邊形網(wǎng)格為主，三維模型則以六面體為主。

（3）網(wǎng)格劃分。

排污管二維擴(kuò)散模型的平均網(wǎng)格尺度為2～4 mm，采用四邊形+三角形混合模式進(jìn)行流域的網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)為20.5萬(wàn)，三維噴口模型的平均網(wǎng)格尺度為1～2 mm，總體網(wǎng)格數(shù)為40萬(wàn)，模型整體采用六面體模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體詳情如圖1所示。

（4）邊界條件。

本計(jì)算采用的為ANSYS Fluent（15.0）軟件，ANSYS Fluent軟件是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。ANSYS Fluent軟件針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法，可以在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳，且作為一款國(guó)際知名的CFD仿真工具，得到了廣泛的應(yīng)用及驗(yàn)證。

①進(jìn)口

模型管道的進(jìn)口給定流速進(jìn)口，污水速度大小為0.1 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s，湍流強(qiáng)度為6%。模型噴口進(jìn)口同樣給定流速進(jìn)口，速度大小0.05 m/s、0.3 m/s，湍流強(qiáng)度6%。

②壁面

計(jì)算域上表面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)型式，表示不存在垂直于該表面的物理量；為區(qū)分?jǐn)U散器內(nèi)外部，將模型內(nèi)部設(shè)置為內(nèi)部區(qū)域；其他各界面作為不流通界面設(shè)計(jì)為壁面。

③出口

在計(jì)算域上部每個(gè)上升管左右各開(kāi)設(shè)一個(gè)出口，以保證整個(gè)計(jì)算域的質(zhì)量守恒及流動(dòng)均衡；出口設(shè)置為壓力出口。

（5）流體屬性。

本文在計(jì)算過(guò)程中考慮管道內(nèi)部的污水與海水，不同流體屬性設(shè)置如表1所示，管道外部海域流體在本文中只考慮重力因素，設(shè)置垂向流動(dòng)。本文中暫不考慮管道外部海域流體的流速和波浪引起的橫向流動(dòng)。

（6）計(jì)算模型。

本文模型設(shè)定基本方式如下：

控制方程：N?S方程；

湍流模型：k?ε?NG模型；

多相流模型：VOF（模型中包括污水及海水兩種流體）

三大守恒方程的積分形式：

①質(zhì)量守恒方程

表1 材料及相關(guān)屬性Tab.1 Materials and related properties

式中：ρ為流體密度；uˉ和uˉg分別為流體和網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度；t為時(shí)間坐標(biāo)；V和A分別為網(wǎng)格單元體積和單元面的面積；n?為單元面的外法線(xiàn)方向；Sdm為質(zhì)量源項(xiàng)。

②動(dòng)量守恒方程

式中：Sdv為動(dòng)量源項(xiàng)；SvA為面積力源項(xiàng)；p表示廣義壓力；

為有效粘性系數(shù)，求解層流問(wèn)題時(shí) μeff=μ，求解湍流時(shí)μeff=μ+μt；

μt=ρCμ，C由湍流模型確定，k和ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率；I為單位張量。

③能量守恒方程

式中：ΓH為擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)；H為流體總焓；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為比熱容；Prt為湍流普朗特?cái)?shù)；SHA為面積力做功部分；SdH為焓變項(xiàng)；Sr為化學(xué)反應(yīng)熱源項(xiàng)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)0.01～0.05 s，采用VOF多相流模型模擬污水在管路及噴嘴中的填充過(guò)程，其中進(jìn)口設(shè)定為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口管長(zhǎng)與進(jìn)口管徑的比值大于10以保障進(jìn)口速度為充分發(fā)展段，入口污水百分比為100%，計(jì)算時(shí)間不低于360 s。計(jì)算過(guò)程中對(duì)模型的殘差進(jìn)行整體監(jiān)控，結(jié)合迭代過(guò)程庫(kù)朗數(shù)的實(shí)時(shí)變化以判斷模型的整體收斂。污水流速設(shè)置根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，分別為0.1 m/s、0.150 m/s、0.3 m/s和0.4 m/s。圖2中給出了在不同污水流速條件下，擴(kuò)散器內(nèi)部污水的流動(dòng)過(guò)程。

（1）污水流速0.1 m/s計(jì)算結(jié)果。

圖2 流速0.1 m/s時(shí)刻320 s時(shí)排污管及周?chē)Ｓ蛭鬯c海水混合狀況Fig.2 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.1 m/s,320 s）

污水流速為0.1 m/s的計(jì)算云圖如圖2所示。

如圖2所知，入口速度為0.1 m/s時(shí)，排污管內(nèi)污水最終止于第3個(gè)支管，擴(kuò)散器內(nèi)部的海水不能全部被清除，該流速情況下的擴(kuò)散器海水清除能力較弱。

（2）污水流速0.15 m/s計(jì)算結(jié)果。

污水流速為0.15 m/s的計(jì)算云圖如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該流速下污水無(wú)法完成管道內(nèi)海水的清除，擴(kuò)散器模型中末端上升管位置的海水仍然存在，即該流速低于深水排污的臨界清除流速。但與污水流速為0.1 m/s情況相比，在同樣時(shí)刻下，擴(kuò)散器內(nèi)部的海水清除速度相對(duì)較快，污水從擴(kuò)散器噴出后，能與周邊海水較快混合。因此在污水流速小于海水清除速度的條件下，污水流速越高，海水清除能力及污水稀釋效果越好。

（3）污水流速0.3 m/s計(jì)算結(jié)果。

污水流速為0.3 m/s的計(jì)算云圖如圖4所示。

將污水的流速升至0.3 m/s，對(duì)比管道內(nèi)污水的擴(kuò)散進(jìn)程可發(fā)現(xiàn)，在100 s時(shí)刻既完成了管道內(nèi)海水的全部清除，但海水的分層現(xiàn)象比較明顯，即在管道內(nèi)部污水明顯存在于管道上部，而海水存在于管道下部，由此可知，該流速高于擴(kuò)散器內(nèi)部海水的臨界清除流速。選取的概化擴(kuò)散器模型的海水臨界清除流速介于0.15～0.3 m/s，由于概化模型參考了目前大部分污水排海擴(kuò)散器的實(shí)際尺寸，因此分析結(jié)果可作為污水排海實(shí)際工程中海水清除的參考依據(jù)。同時(shí)為了分析不同污水流速情況下的海水清除規(guī)律，本文又選取了較大的污水流速進(jìn)行了分析。

（4）污水流速0.4 m/s計(jì)算結(jié)果。

污水流速為0.4 m/s的計(jì)算云圖如圖5所示。

如圖5所知，當(dāng)污水流速達(dá)到0.4 m/s時(shí)，擴(kuò)散器中的海水能夠在更短的時(shí)間內(nèi)被清除，約在90 s時(shí)，完成海水清除過(guò)程，海水在擴(kuò)散器內(nèi)部出現(xiàn)分層的現(xiàn)象也不明顯，說(shuō)明在污水流速大于臨界清除流速時(shí)，0.4 m/s較0.3 m/s的污水流速海水清除效果更佳，因此在工程條件允許的情況下，若進(jìn)行擴(kuò)散器海水清除工作，可考慮使用較大的污水流速。

圖3 流速0.15 m/s時(shí)刻320 s時(shí)排污管及周?chē)Ｓ蛭鬯c海水混合狀況Fig.3 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.15 m/s,320 s）

圖4 流速0.3 m/s時(shí)刻100 s時(shí)排污管及周?chē)Ｓ蛭鬯c海水混合狀況Fig.4 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.3 m/s,100 s）

圖5 流速0.4 m/s時(shí)刻90 s時(shí)排污管及周?chē)Ｓ蛭鬯c海水混合狀況Fig.5 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.4 m/s,90 s）

4 結(jié)論

（1）本文采用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算了不同流速工況下擴(kuò)散器內(nèi)污水對(duì)海水的清除過(guò)程。從物性上來(lái)看，兩者的粘度處于相同數(shù)量級(jí)，且為小密度流體頂替大密度流體，參考多相流理論，驅(qū)替的效果將會(huì)是污水相尖端指進(jìn)，同時(shí)懸浮于海水相的上緣，實(shí)際的仿真計(jì)算中同樣表現(xiàn)出該特征。

（2）在低流速工況下，入口速度大的清除效率更高。入口速度為0.1 m/s時(shí)，排污管內(nèi)污水終止于第3個(gè)支管，當(dāng)入口速度升至0.15 m/s時(shí)，排污管內(nèi)污水終止于第二個(gè)支管。當(dāng)污水通過(guò)噴口流到海域中時(shí)存在因密度差而產(chǎn)生的對(duì)流浮力項(xiàng)以及流體普遍的擴(kuò)散項(xiàng)，兩項(xiàng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)對(duì)流項(xiàng)呈主導(dǎo)地位，所有污水均集中在擴(kuò)散器上部，排污管以下水體，基本不受影響。在高流速工況下，同樣表現(xiàn)出入口速度大海水清除效率高的規(guī)律，當(dāng)入口速度為0.3 m/s時(shí)，在100 s時(shí)刻完成了排污管內(nèi)海水的全部驅(qū)替，當(dāng)入口速度升至0.4 m/s時(shí)，在90 s時(shí)刻即完成了排污管內(nèi)海水的驅(qū)替。此狀態(tài)下污水在海水中的擴(kuò)散與低流速工況下呈相同規(guī)律。

（3）海水入侵是污水排海工程的主要技術(shù)難題之一，對(duì)擴(kuò)散器的危害較大［5］。目前對(duì)于擴(kuò)散器的研究主要集中于其結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，對(duì)后期運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題關(guān)注力度不足。本文采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)于擴(kuò)散器在不同污水流速條件下的海水清除過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了在污水流速低于和高于臨界清除流速條件下的海水清除規(guī)律，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了理論依據(jù)。但對(duì)于更大污水流速情況下的海水清除過(guò)程還有待進(jìn)一步研究，結(jié)合已有的研究成果，可得出較為準(zhǔn)確的擴(kuò)散器海水清除機(jī)制，具有較大的研究意義。

［1］于航，白景峰，王心海.大水深條件下污水排放工程擴(kuò)散器稀釋擴(kuò)散效果研究［J］.水道港口，2013，34（4）：364-368. YU H,BAI J F,WANG X H.Research on sewage marine discharge diffusion effect under deep water［J］.Journal of Waterway and Harbor,2013,34（4）：364-368.

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［3］Doyle B M,Mackinnon P A,Hamill G A.Development of a numerical model to simulate wave induced flow patterns in a long sea outfall［J］.Advances in Fluid Mechanics,2000：33-42.

［4］陳麗星，姚朝暉.Renolds應(yīng)力模型在熱分層流場(chǎng)的應(yīng)用及優(yōu)化［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，43（8）：19-36. CHEN L X,YAO Z H.Reynolds stress model of 11 equations in the thermally stratified turbulent flows［J］.J.Tsinghua Univ.：Sci. &Tech.,2003,43（8）：19-36.

［5］吳瑋.污水海洋擴(kuò)散器海水入侵及清除特性研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

Research on numerical simulation of diffuser seawater clean in different flow velocity of sewage

YU Hang,BAI Jing?feng,WANG Xin?hai （Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In sewage discharge project,the diffuser can provide great capability of initial dilution,and it can preferably protect marine ecology and water quality.Aiming at seawater invasion,the numerical simulation was used as the main technical means in this paper.Through the analysis of the diffuser seawater sewage flow under vari?ous conditions of the cleaning process,the flow field change mechanism was obtained.The research result shows that when the sewage flow is relatively large,the time for sewage clean is short,and the mixing effect of water flow is obvious after mixing with sea water.It grasps the diffuser critical sea clear flow of general form,and provides practi?cal basis for improving the efficiency of operation of the project and solving practical engineering problems.

diffuser;seawater clean;numerical simulation

X 52；O 242.1

A

1005-8443（2016）06-0646-05

2016-02-25；

：2016-06-01

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（TKS150209，TKS140212）

于航（1980-），男，天津市人，副研究員，主要從事海洋環(huán)境科學(xué)與污水深海排放工程設(shè)計(jì)研究。

Biography：YU Hang（1980-），male，associate professor.