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    排海污水挾沙射流研究進(jìn)展

    2022-09-14 07:10:34陳永平陳雨航徐振山EbenezerOtoo周安騏
    水科學(xué)進(jìn)展 2022年4期
    關(guān)鍵詞:波流泥沙射流

    陳永平,陳雨航,徐振山,Ebenezer Otoo,周安騏

    (1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

    近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高,污水排放量也在快速增長(zhǎng)。根據(jù)自然資源部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示,中國(guó)污水年處理量已從2016年的585.8億t增長(zhǎng)至2019年的679.8億t。污水排放通常采用就近排放的方式將處理后的廢水排放到江河湖泊中,但是由于自然水體的環(huán)境承受能力有限,大量的污水排放對(duì)于本就嚴(yán)峻的城市水污染問(wèn)題構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。隨著對(duì)海洋環(huán)境認(rèn)識(shí)的加深,人們發(fā)現(xiàn)海洋本身具有很強(qiáng)的自凈能力和環(huán)境承受能力,能夠達(dá)到更優(yōu)的污水處理效率[1]。采用廢水離岸排放具有低成本、高處理率的特點(diǎn),使得污水排海成為目前解決沿海城市水污染問(wèn)題的有效途徑之一[2]。雖然污水在排放前會(huì)進(jìn)行一定的預(yù)處理,但在大規(guī)模排放情形下,仍有數(shù)量可觀的懸浮物隨污水進(jìn)入海中,形成低濃度的排海污水挾沙射流。在自身重力的作用下,挾沙射流中顆粒較大的懸浮泥沙會(huì)在排放口附近逐漸發(fā)生堆積,形成污泥沉積體。一方面這些污泥表面通常吸附有重金屬及有毒物質(zhì),這些物質(zhì)的大量富集嚴(yán)重威脅人類的健康;另一方面吸附在污泥上的有機(jī)物質(zhì)氧化過(guò)程會(huì)大量消耗水體中的溶解氧,對(duì)排放口附近的水環(huán)境和水生態(tài)帶來(lái)持續(xù)深遠(yuǎn)的影響[3- 5]。因此,系統(tǒng)研究排海污水挾沙射流具有重要的科研價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

    排海污水方式最早可追溯到19世紀(jì)末英國(guó)的Harwich污水排海工程,經(jīng)歷從污水不進(jìn)行處理到污水進(jìn)行一級(jí)、二級(jí)預(yù)處理后排放,直到現(xiàn)在廣泛采用的從近海延伸到深??梢詽M足一級(jí)處理深海排放的處置技術(shù)[1- 2]。在排海污水處置要求不斷提高的背景下,針對(duì)排污口沉積的泥沙吸附氮、磷、重金屬的環(huán)境效應(yīng)研究有了明顯進(jìn)展[6- 8],然而目前對(duì)于排污口排出的懸浮顆粒輸運(yùn)與沉降規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠充分。在以往的研究中通常將排水污水挾沙射流概化為靜水或恒定水流環(huán)境下的挾沙射流,重點(diǎn)關(guān)注射流水體與泥沙之間的相互作用,定性描述不同區(qū)域內(nèi)泥沙的輸運(yùn)和沉降特性,定量研究底部污泥的沉積速率和影響范圍[9- 13]。雖然上述研究對(duì)挾沙射流中懸浮泥沙的擴(kuò)散特性有了更加深入的了解,但在實(shí)際海洋環(huán)境中存在波浪、潮流等非恒定動(dòng)力因素,在這些非恒定外部動(dòng)力作用下挾沙射流將呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的擴(kuò)散和沉降特性。當(dāng)前對(duì)波浪、潮流環(huán)境下挾沙射流研究還處于起步階段,研究成果尚不能全面反映實(shí)際情況中排海污水挾沙射流的運(yùn)動(dòng)特征。

    為更深入掌握排海污水挾沙射流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,本文對(duì)已有研究進(jìn)行了回顧與梳理,評(píng)述了排海污水挾沙射流常用研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn),并提出了可能的解決方案,為進(jìn)一步開(kāi)展潮流和波浪環(huán)境下挾沙射流泥沙輸運(yùn)與沉降特性研究指明方向,也為其他挾沙射流研究提供有益參考。

    1 排海污水挾沙射流研究進(jìn)展

    排海污水挾沙射流是指射流水體挾帶一定濃度的懸浮泥沙快速進(jìn)入海岸動(dòng)力環(huán)境之中。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn):GB18486—2001》,在海洋達(dá)標(biāo)排放情形下,排放口懸浮泥沙最高質(zhì)量濃度不超過(guò)200 mg/L,因此可將達(dá)標(biāo)排放的排海污水視為一種典型的低濃度挾沙射流,射流中的懸浮泥沙對(duì)周邊水體運(yùn)動(dòng)影響可忽略不計(jì)。挾沙射流不僅涉及到射流水體與環(huán)境水體之間的相互作用,同時(shí)還與水體和懸浮泥沙以及泥沙之間的相互作用有關(guān),是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題,研究時(shí)往往根據(jù)問(wèn)題的特點(diǎn)對(duì)周?chē)w的動(dòng)力環(huán)境做出一定的簡(jiǎn)化,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展相關(guān)的研究工作。

    1.1 靜水環(huán)境下挾沙射流研究現(xiàn)狀

    在封閉式的海岸動(dòng)力環(huán)境下,如潟湖等,環(huán)境水體流動(dòng)性不強(qiáng),可以簡(jiǎn)化為靜水環(huán)境。根據(jù)污水射流排放的角度不同,靜水環(huán)境下的挾沙射流可以大致分為垂直(向上)挾沙射流和水平挾沙射流,二者形成的挾沙射流特點(diǎn)差異明顯。

    就垂直挾沙射流(圖1)而言,Jiang等[14]和Carey等[15]從試驗(yàn)和理論兩方面對(duì)垂直向上與垂直向下的挾沙射流展開(kāi)了研究,發(fā)現(xiàn)垂直向下射流的泥沙濃度沿射流軸線的衰減速率與泥沙沉降速度呈正比,與出口速度呈反比。Neves等[16]基于量綱分析方法建立了泥沙顆粒在沉降發(fā)生前的最大運(yùn)動(dòng)距離以及底部污泥體沉積速率的計(jì)算公式。Cardoso等[17- 18]依據(jù)泥沙沉降規(guī)律將挾沙射流分為3個(gè)區(qū)段:在射流近段,射流水體的動(dòng)量較大,挾沙能力較強(qiáng),因此泥沙顆?;静话l(fā)生沉降;在射流中段,射流水體的動(dòng)量逐漸減弱,射流體中的部分泥沙顆粒失去足夠的動(dòng)量支撐轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)并在射流口兩側(cè)底部沉積;在射流遠(yuǎn)段(接近自由表面的區(qū)域),射流水體逐漸變?yōu)樵谒椒较蜻\(yùn)動(dòng),隨著動(dòng)量的進(jìn)一步衰減其挾帶的泥沙顆粒發(fā)生沉降,此時(shí)射流邊界處仍在不斷卷吸周邊流體,下降過(guò)程的泥沙容易隨水流重新卷入射流體內(nèi),形成二次卷吸,這種現(xiàn)象對(duì)射流出口兩側(cè)污泥體的沉積速率和范圍可產(chǎn)生較大影響。

    就水平挾沙射流(圖2)而言,射流的初始動(dòng)量主要作用在水平方向,而泥沙的重力作用垂直向下。在射流初段,由于射流水體動(dòng)量較大,泥沙顆?;静话l(fā)生沉降,挾沙射流的橫斷面含沙量分布與溶于水體的污染物濃度分布相似;隨著射流水體動(dòng)量的下降,水體挾沙能力沿程降低,泥沙顆粒開(kāi)始沉降,出現(xiàn)明顯的“沙云”現(xiàn)象,橫斷面上的泥沙濃度分布曲線也發(fā)生相應(yīng)變化(縱向不斷拉長(zhǎng)、橫向不斷縮短),最大含沙量的位置逐漸偏離射流中心;最后,挾沙射流的橫斷面泥沙濃度分布曲線發(fā)展成一種馬蹄形(也稱倒U形),

    圖1 垂直(向上)挾沙射流 Fig.1 Vertical sediment laden jet

    圖2 水平挾沙射流(無(wú)浮力)Fig.2 Horizontal sediment laden jet(without buoyancy)

    此時(shí)最大含沙量的位置已處于射流軌跡之外。與此對(duì)應(yīng),水平射流下方位置出現(xiàn)了明顯的泥沙沉降區(qū),其沿射流前進(jìn)方向出現(xiàn)“快速增加—達(dá)到峰值—緩慢減弱”的空間分布特征,在底部形成了單一的污泥沉積體[19]。Liu等[20]通過(guò)在相機(jī)鏡頭前添加濾鏡片的方式改進(jìn)了粒子成像測(cè)速技術(shù),并對(duì)泥沙速度和射流流體液相的速度場(chǎng)分別進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:當(dāng)初始泥沙體積濃度為0.1%時(shí),泥沙沉降對(duì)射流水體的運(yùn)動(dòng)幾乎不產(chǎn)生影響;但當(dāng)泥沙體積濃度達(dá)到0.77%時(shí),顆粒沉降過(guò)程中尾渦效應(yīng)逐漸顯現(xiàn),射流水體有向下彎曲的現(xiàn)象。Pakseresht等[21]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):泥沙初始濃度越高射流平均軌跡向下彎曲趨勢(shì)越明顯,同時(shí)泥沙間相互作用也越發(fā)強(qiáng)烈;當(dāng)泥沙顆粒濃度大于5%時(shí),體積位移效應(yīng)變得重要,由于顆粒斯托克斯數(shù)對(duì)背景流場(chǎng)變化的響應(yīng)時(shí)間快,反作用力較小,因此減小顆粒斯托克斯數(shù)會(huì)增加體積位移效應(yīng)。

    考慮到向海排放的污水往往是工業(yè)污水或生活污水,密度較海水要輕,因此周?chē)w對(duì)射流浮力作用不可忽略。在浮力作用下,水平射流水體將向海水表面偏轉(zhuǎn),當(dāng)射流水體到達(dá)表面后,受邊界條件約束,水體向四周擴(kuò)散(圖3)。在射流近段,浮力的作用相對(duì)較小,泥沙顆粒在射流水體速度快速減慢的背景下,開(kāi)始大量下降,形成污泥沉積體的第1個(gè)峰值;隨著射流向前行進(jìn),部分泥沙顆粒被帶至水體表面,隨射流水體向四周擴(kuò)散,在二次卷吸的作用下,部分泥沙顆粒重新進(jìn)入射流水體,而另一部分泥沙顆粒受水體表面對(duì)射流垂向速度約束的影響,離開(kāi)射流水體,形成底部沉積的第2個(gè)峰值[22]。Li[23]引入了特征浮力作用和泥沙沉降的2個(gè)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)這2個(gè)指標(biāo)之比是確定射流沉積形態(tài)的重要因素。

    綜上所述,受泥沙顆粒自身重力的影響,靜水環(huán)境下挾沙射流中的泥沙與水體逐漸分離,產(chǎn)生沉降,并沉積在排放口附近。挾沙射流的水沙分離過(guò)程以及污泥沉積體的空間分布與射流出口的方向有直接關(guān)系,而浮力作用對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生明顯的影響,因此需要分類加以研究。

    1.2 動(dòng)水環(huán)境下挾沙射流研究現(xiàn)狀

    目前動(dòng)水環(huán)境下挾沙射流的研究主要集中在恒定流作用下挾沙射流輸運(yùn)及沉降規(guī)律研究。Cuthbertson等[22]介紹了恒定水流環(huán)境下浮力挾沙射流較為詳細(xì)的物理試驗(yàn)研究結(jié)果,圖4為其研究結(jié)果的示意圖。對(duì)比圖3和圖4可以看出,在與射流出口方向相同的水流作用下,浮力射流的水體明顯向背水側(cè)傾斜,而污泥沉積體向背水側(cè)延展,且沉積速率明顯降低。從污泥沉積體的平面分布來(lái)看,隨著水流強(qiáng)度的增大,射流的側(cè)向紊動(dòng)受到抑制,泥沙隨射流水體側(cè)向輸移的數(shù)量明顯減少,污泥沉積體逐漸由馬蹄形轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蛔帧毙蝃22]。為了定量模擬Cuthbertson等[22]的試驗(yàn)成果,Terfous等[11]基于射流動(dòng)量積分模型和簡(jiǎn)化的泥沙沉降速率公式,構(gòu)建了適用于靜止和恒定水流條件下低濃度挾沙射流二維數(shù)學(xué)模型,該模型可應(yīng)用于快速預(yù)測(cè)不同水流條件下挾沙射流中泥沙淤積強(qiáng)度,但由于該模型沿射流水體徑向方向做了積分處理,污泥沉積體平面分布的預(yù)測(cè)能力受到了較大的影響;Lee[13]采用考慮泥沙分布不均勻性的雙層積分模型對(duì)恒定水流條件下低濃度挾沙射流進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)在特定恒定水流作用下污泥堆積體形態(tài)較為平緩,大部分泥沙顆粒被恒定水流裹挾從羽流中帶出,很難到達(dá)水體表面。

    圖3 水平挾沙射流示意(考慮浮力)Fig.3 Horizontal sediment laden buoyant jet

    圖4 同向水流作用下的水平挾沙射流示意Fig.4 Horizontal sediment laden buoyant jet in crossflow

    綜上所述,動(dòng)水環(huán)境下的挾沙射流較靜水環(huán)境下的挾沙射流要復(fù)雜的多:一方面,環(huán)境水體與射流水體相互作用,使得作為泥沙運(yùn)動(dòng)主要載體的射流水體在形態(tài)上發(fā)生了顯著的變化,泥沙輸運(yùn)和沉降的主體區(qū)域發(fā)生了相應(yīng)的調(diào)整;另一方面,當(dāng)泥沙顆粒離開(kāi)射流水體后,仍將受到環(huán)境水體的影響,其輸運(yùn)和沉降特性將隨環(huán)境水體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生進(jìn)一步的變化。

    1.3 潮流和波浪環(huán)境下純水射流研究現(xiàn)狀

    在開(kāi)放式的海岸水域,潮流和波浪是影響射流運(yùn)動(dòng)的2種主要?jiǎng)恿σ蛩?。雖然目前對(duì)于潮流和波浪環(huán)境下挾沙射流運(yùn)動(dòng)特征的研究結(jié)果還未見(jiàn)報(bào)道,但關(guān)于潮流和波浪環(huán)境下純水射流的研究成果已比較豐富,可為進(jìn)一步開(kāi)展潮流和波浪環(huán)境下挾沙射流研究提供重要參考。

    潮流具有周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),學(xué)者們對(duì)長(zhǎng)周期非恒定流環(huán)境中的射流開(kāi)展了細(xì)致的研究工作。由于潮流的時(shí)間尺度比射流的長(zhǎng)得多,在研究潮流環(huán)境中射流問(wèn)題時(shí),常常將潮流對(duì)射流的影響近似視為一系列準(zhǔn)恒定流對(duì)射流的影響[24]。楊志峰等[25]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型,建立了潮流環(huán)境中垂向射流的數(shù)學(xué)模型,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了回流區(qū)的高度,并分析了潮流非恒定性對(duì)回流區(qū)高度的影響。陳朝泉等[26]對(duì)潮流環(huán)境中垂直于岸線的側(cè)向排污射流進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在憩流時(shí)刻出現(xiàn)雙回流現(xiàn)象,同時(shí)在此時(shí)刻污水排放口兩側(cè)聚集著高濃度的污染物質(zhì),影響區(qū)域最大。周連偉[27]采用動(dòng)量積分法對(duì)非恒定環(huán)境中三維圓形浮射流進(jìn)行研究,較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了浮射流的軸線軌跡以及稀釋度變化等規(guī)律。趙懿珺[28]采用PIV- PLIF技術(shù)系統(tǒng)測(cè)量了整個(gè)潮周期內(nèi)射流對(duì)稱縱剖面上的流場(chǎng)與濃度場(chǎng),揭示了射流的湍流結(jié)構(gòu)和隨潮擴(kuò)散規(guī)律,提出了對(duì)稱縱剖面上射流軸線稀釋度的經(jīng)驗(yàn)公式;并采用k-ε模型建立了潮流環(huán)境中射流的三維數(shù)學(xué)模型,分析了射流空間渦流結(jié)構(gòu)、濃度結(jié)構(gòu)和分叉特性等。綜上所述,潮流的非恒定性對(duì)射流的稀釋和擴(kuò)散確實(shí)存在一定的影響,潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特性可在一定程度上提高射流摻混與卷吸的強(qiáng)度。

    由于波浪運(yùn)動(dòng)的周期相對(duì)較短,波浪水質(zhì)點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)射流的發(fā)展起到很強(qiáng)的牽制作用。在波浪作用下,射流的自相似性逐漸減弱,在其前行過(guò)程中可劃分為初始彎曲段、過(guò)渡段和完全發(fā)展段[29]。在初始彎曲段,射流能夠很好地保持自身的動(dòng)量,射流體能夠隨波浪水質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行周期性的左右彎曲;在完全發(fā)展段,射流自身動(dòng)量基本消失,射流水團(tuán)隨波浪左右振蕩[30]。Hsiao等[31]、Mossa等[32]研究了波浪作用下射流的瞬時(shí)和平均流場(chǎng)特征,發(fā)現(xiàn)波浪作用顯著增強(qiáng)了射流的紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力以及平均展寬,波浪相位的影響不是很明顯。Chen等[33]采用數(shù)值模擬對(duì)波浪環(huán)境中水平圓管浮力射流的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究,考慮了相對(duì)水深、波高與水深之比、浮力對(duì)射流擴(kuò)散的影響,發(fā)現(xiàn)波高與水深之比是影響射流擴(kuò)散過(guò)程的決定因素。孫昭晨等[34]應(yīng)用相位分析法研究了波高對(duì)射流紊動(dòng)特性的影響,發(fā)現(xiàn)波高對(duì)射流的紊動(dòng)特性有顯著影響,并且對(duì)流項(xiàng)對(duì)波高的變化較紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)更為敏感。為了量化波浪對(duì)于射流運(yùn)動(dòng)及稀釋的影響,前人各自選取了與波浪相關(guān)的不同參數(shù)進(jìn)行刻畫(huà)。周豐[35]選用特征波要素、初始速度和濃度等基本參數(shù)對(duì)射流時(shí)均速度沿軸線衰減和擴(kuò)展寬度進(jìn)行量綱分析,認(rèn)為波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的水平半徑是影響垂向射流特性的根本因素。Mori等[36]、Ryu等[37]定義了波浪- 射流動(dòng)量比用來(lái)反映波浪作用的相對(duì)強(qiáng)弱,并將規(guī)則波環(huán)境中射流的瞬時(shí)形態(tài)分為對(duì)稱連續(xù)型、非對(duì)稱連續(xù)型、非對(duì)稱非連續(xù)型3類。陳永平等[38- 39]采用組合特征參數(shù)法進(jìn)行分析,得到了JONSWAP譜不規(guī)則波環(huán)境中射流軸線時(shí)均流速、擴(kuò)展寬度和軸線稀釋度的經(jīng)驗(yàn)公式。魯俊等[40]分析了不規(guī)則波(JONSWAP譜)環(huán)境中垂直湍動(dòng)射流回流區(qū)域擬渦能分布特性及其摻混特性,發(fā)現(xiàn)波浪影響下射流時(shí)均速度衰減、擬渦能分布等與靜止環(huán)境中有顯著不同,并分析了波浪對(duì)射流軌跡線、雷諾應(yīng)力、紊流能譜等的影響。de Padova等[41- 42]發(fā)現(xiàn)波浪作用下,在靠近自由水表面的流動(dòng)區(qū)域中,波浪引起的最大水平速度對(duì)射流中心線縱向最大時(shí)均速度和橫向長(zhǎng)度尺度影響較大;在離自由水表面較近的流動(dòng)區(qū)域,波浪周期的影響比波浪最大水平速度的影響更大。綜上所述,受波浪水質(zhì)點(diǎn)周期性運(yùn)動(dòng)的影響,射流與環(huán)境水體間的相互作用明顯增強(qiáng),射流的擴(kuò)展寬度和紊動(dòng)強(qiáng)度大大增加,射流的稀釋能力顯著提高。上述結(jié)論同時(shí)適用于波浪環(huán)境下的垂直射流和水平射流[43]。

    在潮流和波浪共存環(huán)境(簡(jiǎn)稱波流環(huán)境)下,射流的摻混與稀釋過(guò)程相比于潮流或波浪單一環(huán)境下的情況復(fù)雜得多。從2013年起,作者所在的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)波流環(huán)境下純水射流的運(yùn)動(dòng)和稀釋特性開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。Wang等[44]采用粒子圖像測(cè)速(PIV)和激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)對(duì)波浪和水流共同作用下垂向射流進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了波流環(huán)境中射流所特有的“大尺度云團(tuán)”現(xiàn)象(圖5),基于瞬時(shí)射流比闡述了其形成機(jī)理,并依據(jù)實(shí)測(cè)資料得到了射流的運(yùn)動(dòng)軌跡、軸線速度和稀釋度等的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。Xu等[45- 47]利用大渦數(shù)值模擬研究了波流環(huán)境下垂直圓管射流的摻混和稀釋特性,利用新定義的特征長(zhǎng)度得到了關(guān)于波流環(huán)境下射流的一系列經(jīng)驗(yàn)公式,發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中大量的渦旋使射流時(shí)均軌跡發(fā)生一定程度的扭曲,射流垂向及水平向紊動(dòng)范圍增加;射流在交界面能更快地與環(huán)境水體摻混,射流內(nèi)部水體也由于波浪的牽引發(fā)生了垂向交換,導(dǎo)致射流軸線時(shí)均速度衰減加快。此外,射流的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化,沿橫斷面方向的反向?qū)ΨQ漩渦結(jié)構(gòu)遭到了破壞,射流的主流線向下傾斜,導(dǎo)致射流水體有向底部彎曲的趨勢(shì)[48- 49]。

    圖5 不同動(dòng)力環(huán)境下射流水體的瞬時(shí)云圖Fig.5 Snapshots of jet in different environment

    綜上所述,波流環(huán)境的存在對(duì)射流的影響較大,射流運(yùn)動(dòng)形態(tài)將發(fā)生顯著變化,射流的水流結(jié)構(gòu)也將發(fā)生較大的調(diào)整。可以預(yù)見(jiàn)的是,挾沙射流在波流環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與靜水和恒定水流環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有較大差異,這種差異將對(duì)射流體中泥沙的輸運(yùn)和沉降過(guò)程產(chǎn)生何種影響尚不清楚,有待深入研究。

    2 排海污水挾沙射流研究方法

    由于排海污水挾沙射流問(wèn)題比較復(fù)雜,早期的研究多通過(guò)物理試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn),近年來(lái)數(shù)值模擬研究也得到了快速發(fā)展,下文將針對(duì)挾沙射流的物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分別予以介紹。

    2.1 物理試驗(yàn)研究方法

    目前排海污水挾沙射流物理試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容主要包括射流運(yùn)動(dòng)軌跡、水- 沙速度場(chǎng)、水- 沙濃度場(chǎng)分布規(guī)律以及底部污泥體的沉積速率等,其中水- 沙速度場(chǎng)和泥沙濃度場(chǎng)的同步觀測(cè)是物理試驗(yàn)研究的主要技術(shù)難點(diǎn)。

    對(duì)于水- 沙速度場(chǎng),大多采用基于光學(xué)原理的非接觸式量測(cè)儀器,如激光多普勒流速儀(LDV)和PIV等來(lái)進(jìn)行測(cè)量。由于試驗(yàn)需要同時(shí)測(cè)得固相和液相的速度場(chǎng)數(shù)據(jù),因此涉及到分相的問(wèn)題,目前相關(guān)學(xué)者主要采用以下2種方法進(jìn)行:一種是利用物理硬件(濾光片)進(jìn)行分相[14,20,50],另一種是利用圖像后處理技術(shù)進(jìn)行分相[51]。第一種方法對(duì)固相和液相分別予以標(biāo)記,根據(jù)其反射激光波長(zhǎng)的不同,通過(guò)安裝合適的濾光片對(duì)固相和液相的速度分別進(jìn)行測(cè)量(圖6)。在此方法基礎(chǔ)上,Liu等[52]進(jìn)一步采用羅丹明熒光顆粒標(biāo)記液相,配合濾鏡片更好地對(duì)固相液相進(jìn)行分離,改進(jìn)了分相效果。第二種方法是利用原始圖像中固體顆粒和射流水體中示蹤粒子的大小及亮度不同對(duì)固、液相進(jìn)行區(qū)分,但目前此種方法圖像后處理計(jì)算較為繁瑣,處理后的圖片中存在較大的“盲區(qū)”(即沒(méi)有足夠的粒子),影響了測(cè)量精度,因此較少采用。

    圖6 粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)測(cè)挾沙射流圖像Fig.6 Snapshots of sediment laden jet using PIV

    對(duì)于水- 沙濃度場(chǎng),大多采用PLIF技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量[14,53],但由于激光的強(qiáng)度隨距離增加發(fā)生明顯衰減,其拍攝范圍大小受到限制;此外,熒光劑(羅丹明B)易與水中的氯元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),有可能導(dǎo)致測(cè)得的水體濃度系統(tǒng)性地偏小。Lee[13]采用激光照亮一個(gè)橫截面,統(tǒng)計(jì)通過(guò)該平面的粒子數(shù)量間接推算該區(qū)域內(nèi)所有固體質(zhì)量從而得到水- 沙濃度場(chǎng)。Liu等[20]針對(duì)傳統(tǒng)PLIF技術(shù)存在的問(wèn)題,提出了一種較為新穎的濃度測(cè)量方法,即根據(jù)PIV所獲得的原始圖像統(tǒng)計(jì)一定區(qū)域內(nèi)粒子的個(gè)數(shù),進(jìn)而根據(jù)單個(gè)固體粒子的質(zhì)量推算出該區(qū)域內(nèi)所有固體粒子的總質(zhì)量,從而得出該區(qū)域的平均泥沙濃度。與傳統(tǒng)虹吸管測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明,該方法具有較高的可靠性。此外,Liu等[54]將拍攝的所有灰度圖像平均,根據(jù)顆粒反射的平均激光強(qiáng)度從而確定相應(yīng)位置處泥沙濃度。為了區(qū)分液相和固相,可以嘗試采用光學(xué)分相并采用PLIF同步觀測(cè)的方式,但目前這種方法還處于探索之中[52]。

    2.2 數(shù)值模擬方法

    針對(duì)排海污水挾沙射流的數(shù)值模擬研究主要基于3種不同類型的數(shù)學(xué)模型,即基于拉格朗日?qǐng)龅姆e分模型、基于歐拉場(chǎng)的兩相流模型以及基于拉格朗日- 歐拉場(chǎng)的粒子追蹤模型。

    基于拉格朗日?qǐng)龅姆e分模型主要依據(jù)試驗(yàn)研究得出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律提出近似假定,對(duì)控制方程進(jìn)行積分處理,將經(jīng)典的偏微分方程轉(zhuǎn)換為常微分方程,同時(shí)引入必要的邊界條件,對(duì)簡(jiǎn)化后的控制方程進(jìn)行數(shù)值求解[55- 58]。Ernst等[59]通過(guò)假定控制體內(nèi)泥沙質(zhì)量的變化率與控制體內(nèi)泥沙總質(zhì)量的關(guān)系對(duì)方程組進(jìn)行閉合,以此建立了模擬挾沙射流的積分?jǐn)?shù)值模型。Lane- Serff等[60]將泥沙沉降的判斷標(biāo)準(zhǔn)定為顆粒沉降速度沿射流軸線的分量大于射流卷吸速度,同時(shí)將羽流環(huán)境中的泥沙沉降分為射流上下邊緣沉降以及射流體到達(dá)自由表面后形成的表面羽流中沉降2部分,提出了基于射流上下邊緣沉降的泥沙在中心截面上分布均勻假設(shè)的單層模型。Lee[13]在Lane- Serff等[60]模型的基礎(chǔ)上提出了考慮顆粒分布不均勻性的雙層模型,模型將泥沙沿射流體中心截面分布分為上下2層,考慮由于泥沙沉降作用導(dǎo)致上層泥沙向下層轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象;通過(guò)和單層模型的對(duì)比,采用雙層模型的積分模擬精度更好。Terfous等[11,61]采用卷吸系數(shù)來(lái)閉合液相運(yùn)動(dòng)方程,采用固體顆粒沉速與卷吸速度的關(guān)系閉合固相運(yùn)動(dòng)方程,以此建立了動(dòng)水條件下的挾沙射流動(dòng)量積分模型。

    基于歐拉場(chǎng)的兩相流模型假設(shè)固- 液兩相均為充滿整個(gè)空間的連續(xù)介質(zhì),根據(jù)固- 液兩相的質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律,通過(guò)雷諾時(shí)間平均推導(dǎo)得到水沙兩相流的連續(xù)方程和動(dòng)量方程。湛霞等[62]考慮水動(dòng)力、鹽度和泥沙共同作用對(duì)環(huán)境水體的影響,建立了鹽度和泥沙輸移擴(kuò)散模型;Huai等[63]假定水沙兩相分別滿足各自的質(zhì)量方程和連續(xù)方程,但是能夠通過(guò)壓力和兩相間的交換系數(shù)進(jìn)行耦合,該模型考慮了水沙相互作用以及顆粒間的相互作用。近年來(lái),基于歐拉場(chǎng)的兩相流數(shù)值模型得到了長(zhǎng)足發(fā)展,其中,Chauchat等[64]根據(jù)水- 沙湍流動(dòng)能的傳遞特性,構(gòu)建了反映水- 沙湍流相互作用的代數(shù)模型,改進(jìn)了兩相流模型中水相和沙相湍流運(yùn)動(dòng)的模擬效果;Yu等[65]提出了與傳統(tǒng)推移質(zhì)輸沙及懸移質(zhì)輸沙模型相比能夠減少采用經(jīng)驗(yàn)公式的兩相模型;Maurin等[66]利用三維離散元耦合一維流體動(dòng)量守恒探究了底部斜率對(duì)于推移質(zhì)輸沙的影響;Zhang等[67]通過(guò)攝動(dòng)法求解了含沙水流的雙流體方程,并導(dǎo)出了泥沙的漂移速度?;跉W拉場(chǎng)的兩相流模型已在潮流和波浪環(huán)境下大范圍水沙運(yùn)動(dòng)模擬中得到了較好的應(yīng)用[68- 69]。

    基于歐拉- 拉格朗日?qǐng)龅牧W幼粉櫮P蛯⒁合嗟乃髁黧w視為連續(xù)介質(zhì),以k-ε紊流方程[10,70]或大渦紊流方程[54]、動(dòng)量積分方程[12]作為控制方程,采用傳統(tǒng)離散法進(jìn)行數(shù)值求解,計(jì)算得到背景流場(chǎng);將固相的泥沙顆粒視為分散介質(zhì),根據(jù)分散粒子在水體中受到的作用力建立粒子運(yùn)動(dòng)控制方程(粒子受到的力主要有質(zhì)量力、拖曳力、壓差力、升力以及顆粒間相互作用力等),捕捉每一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況,獲得泥沙顆粒統(tǒng)計(jì)平均的運(yùn)動(dòng)特征,進(jìn)而得到整個(gè)泥沙場(chǎng)的分布情況。Chan等[12]利用粒子追蹤模型成功模擬了挾沙浮力射流在靜水環(huán)境中泥沙的輸運(yùn)和沉降過(guò)程;施華斌[70]對(duì)水流作用下粒子與粒子之間的相互作用機(jī)制進(jìn)行細(xì)致分析,引入隨機(jī)碰撞模型對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)控制方程進(jìn)行改進(jìn),應(yīng)用該模型成功模擬了明渠水流中懸沙的輸運(yùn)過(guò)程;Jacobs等[71]將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式引入模型,建立了一套描述顆粒流輸運(yùn)過(guò)程的不確定性量化模型;Mofakham等[72]改進(jìn)了連續(xù)隨機(jī)游走模型,模型提升了不同尺寸顆粒的濃度分布及沉積速度上模擬精度。

    從模擬精度和計(jì)算效率效果來(lái)看,以上3種方式各有所長(zhǎng),但也存在著相應(yīng)的問(wèn)題,需要根據(jù)挾沙射流所處的環(huán)境進(jìn)行具體分析,對(duì)比選擇較為合適的數(shù)值模擬方法。

    3 波流環(huán)境下排海污水挾沙射流研究的難點(diǎn)問(wèn)題及解決思路

    隨著科研條件的不斷發(fā)展,人們對(duì)于排海污水挾沙射流的認(rèn)識(shí)也不斷加深。在初期階段,受科研條件的限制,問(wèn)題多聚焦于靜止或恒定水流環(huán)境下射流自身的擴(kuò)散和稀釋特征;隨著研究方法的創(chuàng)新和研究成果的積累,開(kāi)展波流環(huán)境下挾沙射流研究已成為可能。相對(duì)于靜水與橫流環(huán)境,波流環(huán)境下挾沙射流的泥沙輸運(yùn)受制于更加復(fù)雜的動(dòng)力因子。在挾沙射流內(nèi)部射流體與泥沙相互作用強(qiáng)烈,與此同時(shí),外部環(huán)境水體對(duì)射流體擴(kuò)散的影響不容忽視,而射流體與環(huán)境水體的相互作用又會(huì)影響泥沙的運(yùn)動(dòng)特性。在波浪、水流、泥沙及射流四大要素的相互作用下,泥沙勢(shì)必會(huì)呈現(xiàn)出與恒定流條件下不同的輸運(yùn)方式和沉降形態(tài)。探究波流共同作用下的挾沙射流泥沙輸運(yùn)與沉降規(guī)律是排海污水射流研究的難點(diǎn)所在。

    在物理試驗(yàn)中采用濾鏡片對(duì)挾沙射流中水相和沙相進(jìn)行光學(xué)分相并采用PIV和PLIF同步觀測(cè)是一種較為合理的手段,不僅能夠?qū)㈥P(guān)注點(diǎn)聚焦于泥沙輸移與沉降規(guī)律,同時(shí)能夠綜合考慮水體紊動(dòng)對(duì)于泥沙沉降的影響。但是將這些研究方法應(yīng)用于波流環(huán)境時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題:① 波流環(huán)境中激光器射出的激光在接觸波浪自由表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)散射現(xiàn)象,激光的光強(qiáng)在試驗(yàn)量測(cè)段內(nèi)的穩(wěn)定性不能得到很好的滿足,試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差較大;② 采用常規(guī)的PIV和PLIF進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)每秒采樣次數(shù)受激光器頻率限制較大,從而在一個(gè)波浪周期中對(duì)波峰、波谷等特征相位捕捉上存在偏差,這些偏差對(duì)進(jìn)一步分析各特征相位下挾沙射流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)不利;③ 波流環(huán)境中不同時(shí)刻射流形態(tài)迥異,為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量需要引入2臺(tái)相機(jī)分別觀測(cè)水沙兩相,2臺(tái)相機(jī)的協(xié)調(diào)同步采集是決定試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量關(guān)鍵因素。針對(duì)這些可能存在的問(wèn)題,筆者認(rèn)為可以采用在自由液面添加導(dǎo)光板(Wang等[44])解決波面反射問(wèn)題;采用連續(xù)激光器配合高速相機(jī)的新型PIV和PLIF采集系統(tǒng)提高采樣頻率,進(jìn)一步分析挾沙射流的紊動(dòng)特性;利用標(biāo)定板同時(shí)標(biāo)定2臺(tái)相機(jī),并通過(guò)圖像處理確保2臺(tái)相機(jī)的拍攝范圍一致。對(duì)于同步觀測(cè)的問(wèn)題可以通過(guò)添加同步器或者采用圖像識(shí)別等手段分析2臺(tái)相機(jī)相鄰時(shí)刻的照片相似度從而獲得同步觀測(cè)的效果。

    在數(shù)值模擬中基于拉格朗日?qǐng)龅姆e分模型較容易建立,數(shù)值求解較為簡(jiǎn)單且計(jì)算時(shí)間較短,但在復(fù)雜的動(dòng)力條件(如波流環(huán)境)下存在部分假設(shè)適用性問(wèn)題以及在描述挾沙射流泥沙堆積體的三維分布情況時(shí)存在較大模擬難度的問(wèn)題;基于歐拉場(chǎng)的數(shù)值模型采用時(shí)間平均的N- S方程,相對(duì)于基于拉格朗日?qǐng)龅姆e分模型在模擬波流環(huán)境下的挾沙射流時(shí)準(zhǔn)確性有所提高,但是歐拉場(chǎng)模型也存在著無(wú)法預(yù)測(cè)顆粒間碰撞的問(wèn)題。與上述2種研究方法相比,基于歐拉- 拉格朗日?qǐng)龅膬上嗔髁W幼粉櫡梢宰粉檼渡成淞髦泄腆w顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況,針對(duì)性地得到單個(gè)泥沙顆粒在不同外部環(huán)境作用下的微觀運(yùn)動(dòng)行為,但是歐拉- 拉格朗日法相對(duì)于拉格朗日積分法以及歐拉法計(jì)算成本較高。除了不同模擬方法存在的時(shí)間成本與計(jì)算精度問(wèn)題,波流作用下挾沙射流數(shù)值模擬中可能會(huì)存在以下問(wèn)題:① 浮力挾沙射流會(huì)挾帶泥沙到達(dá)自由液面形成表面流,水體表面流動(dòng)模擬的準(zhǔn)確性亟待提高;② 波流作用下射流軸線彎曲,靜水下假定泥沙沿射流體中心截面雙層分布的積分模型有待調(diào)整。針對(duì)這些問(wèn)題,筆者認(rèn)為在微分模型中可以引入LS(Level set)法來(lái)捕捉波浪自由表面運(yùn)動(dòng),在積分模型中可參考物理試驗(yàn)結(jié)果,修正波流環(huán)境下挾沙射流泥沙濃度的分布模式,以提高積分模型的模擬精度。

    綜上,筆者建議可以通過(guò)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開(kāi)展波流環(huán)境下挾沙射流的研究工作。一方面,基于物理試驗(yàn)對(duì)挾沙射流進(jìn)行形態(tài)觀測(cè),獲得直觀認(rèn)識(shí),并對(duì)波浪- 水流- 射流- 泥沙的相互作用機(jī)制開(kāi)展定性描述;采用PIV、PLIF和圖片識(shí)別等技術(shù)對(duì)挾沙射流中水沙兩相的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行同步測(cè)量,對(duì)泥沙顆粒的沉積總量進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì),為數(shù)值模型提供必要的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。另一方面,數(shù)值模擬方面采用大渦紊流模型,準(zhǔn)確模擬波流環(huán)境下不同角度射流排放的水流渦動(dòng)結(jié)構(gòu);基于粒子追蹤法構(gòu)建泥沙運(yùn)動(dòng)模塊,計(jì)算泥沙濃度分布、底部泥沙的沉積速率和污泥沉積體的影響范圍。同時(shí)綜合考慮計(jì)算時(shí)間成本,建立一套基于拉格朗日積分模型用于解決快速預(yù)測(cè)波流共同作用下挾沙射流的底部沉積速率問(wèn)題。最后,將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展更多組次的數(shù)值試驗(yàn),深入研究波流環(huán)境下挾沙射流的三維水沙運(yùn)動(dòng)特征,獲取波流環(huán)境下垂直和水平射流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及固體顆粒沉積的定量分布規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)波流共同作用下挾沙射流底部污泥沉積速率和影響范圍的定量預(yù)測(cè)。

    4 結(jié)論與展望

    污水排海是污水排放中較為常見(jiàn)的一種方式,在潮流和波浪等海岸動(dòng)力的影響下,排海污水所挾帶的懸浮物呈現(xiàn)出獨(dú)特的擴(kuò)散與沉降方式。目前對(duì)排海污水挾沙射流的研究?jī)?nèi)容主要側(cè)重于靜水和恒定流環(huán)境下水- 沙速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及懸浮物的沉積規(guī)律,研究手段主要包括物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬。在物理試驗(yàn)中主要采用粒子圖像測(cè)速儀、激光誘導(dǎo)熒光測(cè)速儀等非接觸式量測(cè)儀器獲取速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的數(shù)據(jù);在數(shù)值模擬中主要采用基于拉格朗日?qǐng)龅姆e分模型、基于歐拉場(chǎng)的數(shù)值模型以及基于粒子追蹤法的數(shù)值模型構(gòu)建水沙兩相流模型。

    在潮流和波浪共存的環(huán)境中,波流共同作用對(duì)射流摻混與稀釋的影響較大,射流運(yùn)動(dòng)形態(tài)將發(fā)生顯著變化,射流中懸浮物的擴(kuò)散與沉降方式也將發(fā)生較大的調(diào)整。目前關(guān)于波流共同作用下挾沙射流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究還處于起步階段,隨著研究技術(shù)的不斷改進(jìn),開(kāi)展波流共同作用下挾沙射流的輸運(yùn)與沉降規(guī)律研究已成為可能。

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