南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置設(shè)計研究

王 文，蘇來華，上官林建，高 丹，劉易博，尚 巖，于 磊

（1.華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.黃河機械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450029）

南水北調(diào)中線干渠地跨河南、河北、北京、天津4個省、直轄市，全長1 432 km，跨渠公路100多條，除北京段為管涵輸水外，其他段均為明渠。輸水過程中可能存在跨渠公路突發(fā)交通事故（油類運輸車泄漏）或節(jié)制閘機房中機電設(shè)備油液泄漏等，將影響沿線城市用水安全，甚至短時間內(nèi)造成大量生命和財產(chǎn)損失［1-2］，因此有必要建立應(yīng)對此類突發(fā)油污染事件的應(yīng)急預(yù)案。南水北調(diào)中線干渠浮油污染大多數(shù)為成品油，如煤油和柴油，在南水北調(diào)中線干渠不停水輸送、不影響沿線計劃供水的前提下，提出采用攔截裝置將污染團圍控起來進行集中處置的措施［3-6］。

1 浮油類污染物攔截原理

南水北調(diào)中線干渠輸水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為飲用水，即要求水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，處理浮油類污染物時，以不造成二次污染為目標(biāo)?？偢汕斔晒?jié)制閘控制，突發(fā)浮油類污染事故后，污染物隨干渠水流順勢而下。以輸水干渠兩岸為固定點，斜跨渠（傾斜45°）在河面布設(shè)圍擋裝置，對上游污染物進行攔截和匯聚，并利用油污抽吸設(shè)備將攔截的污染物抽吸排出，見圖1［7-8］。

圖1 污染物攔截示意

2 攔截裝置結(jié)構(gòu)

南水北調(diào)中線干渠渠道寬，具有水流單向性、兩岸不可隨便通行、邊坡不可隨意破壞、水中不可下油船等特點。針對突發(fā)浮油污染事故，攔油裝置的承載需要借助串聯(lián)式平臺［7］。攔油裝置串聯(lián)式平臺為多節(jié)串聯(lián)型，每節(jié)長3 m、厚5 mm，節(jié)與節(jié)之間利用PVC板實現(xiàn)軟連接，以增強攔油裝置因上游水流沖擊而產(chǎn)生變形的自補償性，同時便于設(shè)備的運輸與安裝。如圖2所示，攔油裝置通過定位裝置安裝于串聯(lián)式平臺前端，工作人員通過定位裝置中的手輪實現(xiàn)攔油裝置吃水深度的快速調(diào)節(jié)，使其能夠應(yīng)對不同水位和風(fēng)浪工況。

圖2 攔油裝置和串聯(lián)式平臺安裝

攔油裝置的形狀對圍擋浮油的效果影響較大，共設(shè)計了5種不同形狀的攔油裝置，見圖3。干渠流場屬于湍流流場，受風(fēng)速和水流影響，不同形狀攔油裝置對流場的影響不同，即攔截效果不同，因此采用ANSYS Workbench中的FLUENT模塊對攔油裝置布設(shè)前后流場進行數(shù)值模擬分析，確定對干渠流場影響最小的攔油裝置。干渠渠道長度和寬度較大，渠岸對流場影響較小，為了節(jié)省計算資源和提高計算效率，將渠道以1∶25的比例縮小，簡化模型為長、上底、下底、高分別為5 000、1 280、380、180 mm的梯形體。

圖3 攔油裝置形狀（單位：mm）

3 基于FLUENT模塊的流場分析

3.1 湍流流場分析理論基礎(chǔ)

干渠流場屬于湍流流場，標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程具有很好的魯棒性、經(jīng)濟性，可以對大范圍湍流進行合理預(yù)測，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程進行湍流流場分析。湍動能k與湍動耗散率ε需要滿足輸運方程：

式中：ρ為密度；t為時間；vi為i方向的速度分量；xi、xj為i、j方向的空間分量；μ為黏性系數(shù)；μt為渦黏性系數(shù)，μt=ρCμk2／ε，其中Cμ=0.09，σk、σε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Yk為因在可壓縮湍流中過渡擴散而產(chǎn)生的波動；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；cε1、cε2、cε3為經(jīng)驗常數(shù)，其中主流方向與重力方向平行時cε3=1，垂直時cε3=0。

由于水為不可壓縮流體，因此不考慮用戶自定義源項時，Gb=0、Yk=0、Sk=0、Sε=0，經(jīng)驗常數(shù)cε1=1.44、cε2=1.92、σk=1、σε=1.3。

3.2 FLUENT流場仿真分析模型的建立

浮油受攔油裝置的攔截，沿著攔油裝置傾斜方向流動匯聚在攔油裝置與渠岸交匯處，利用FLUENT模塊進行流場分析。網(wǎng)格選用四面體單元，共計625 077個單元。模型邊界條件：渠道上游為流體入口，入口處水流速度v=3 m／s；下游為出口，出口處設(shè)為外流；渠底、渠岸及攔油裝置和串聯(lián)式平臺為邊界，串聯(lián)式平臺與渠岸角度均設(shè)置為45°，見圖4。將離散后的模型導(dǎo)入FLUENT模塊中，最大迭代次數(shù)設(shè)為500次，進行求解計算。

圖4 模型邊界條件

3.3 結(jié)果及分析

對不同形狀攔油裝置上下游流場進行后處理，得到攔油裝置前后流場表面速度矢量及流線圖，見圖5（圖中箭頭表示水流方向，水流自上游流向下游）。從圖5、表1可以看出，直槽形攔油裝置流場流速最大，直角形攔油裝置流場流速次之，圓槽形攔油裝置流場流速最??；直角形、弧形、直槽形攔油裝置最大流速發(fā)生位置相同，即導(dǎo)流口處，直槽形攔油裝置流速較大區(qū)域為導(dǎo)流口下游，直角形、弧形攔油裝置流速較大區(qū)域為串聯(lián)式平臺下游一定距離處。

圖5 不同形狀攔油裝置流場表面速度矢量（單位：m／s）

表1 不同形狀攔油裝置流場特點

從圖5攔油裝置前后流場可以看出，5種形狀攔油裝置中，直槽形、勺形和圓槽形攔油裝置上游流場流線穩(wěn)定，直槽形、勺形攔油裝置下游流場流線紊亂，圓槽形攔油裝置下游流場流線輕微紊亂；直角形、弧形攔油裝置上游流場流線紊亂，直角形攔油裝置下游流場流線較紊亂，弧形攔油裝置下游流場流線相對較穩(wěn)定。對于流體表面薄層浮油的攔截，流場越穩(wěn)定浮油攔截效果越好。圓槽形攔油裝置前后流場相對穩(wěn)定，同時攔油裝置浮在水面上的擋板可以防風(fēng)浪沖擊，抵御表面浮油翻越障礙物（攔截裝置）；圓槽形攔油裝置，從加工工藝來看，折板機彎曲成形即可，因此選擇圓槽形攔油裝置進行攔污導(dǎo)流。

4 結(jié) 語

針對南水北調(diào)中線輸水干渠輸水工況，以串聯(lián)式平臺為支撐，設(shè)計了5種不同形狀的攔油裝置安裝在平臺上游一側(cè)進行攔污導(dǎo)流?；谕牧髁鲌鰇-ε方程，模擬浮油遇到不同形狀攔油裝置攔截時的流場特性，經(jīng)模擬圓槽形攔油裝置前后流場相對穩(wěn)定，可抵御表面浮油翻越障礙物（攔截裝置），因此選擇圓槽形攔油裝置進行攔污導(dǎo)流。目前該攔油裝置以及串聯(lián)式平臺已在河南省鄭州市十八里河段和北據(jù)馬節(jié)制閘前進行了浮油污染應(yīng)急處理演練，效果良好，攔油率達(dá)到90%，可以在南水北調(diào)中線干渠推廣應(yīng)用。