湖泊水華藍(lán)藻汲取裝備水力性能數(shù)值模擬研究

李章超，楊正軍，王苗苗

（1.中交天津航道局有限公司天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；2.中交天航環(huán)保工程有限公司，天津 300461）

0 引言

湖泊藍(lán)藻水華是目前水環(huán)境治理面臨的主要問題之一，環(huán)保疏浚是內(nèi)河湖泊污染治理的重要工程技術(shù)手段[1]。進(jìn)行湖泊疏浚水環(huán)境治理時(shí)，常采用機(jī)械方法對(duì)湖泊水華藍(lán)藻進(jìn)行清除，能直接大量清除湖面藍(lán)藻水華[2-3]。目前，國內(nèi)外機(jī)械化水華藍(lán)藻打撈設(shè)備很多，配備的藍(lán)藻汲取頭汲取表層富藻水的效率直接影響藍(lán)藻清除的效果。本文介紹了一種全新的水力式藍(lán)藻汲取盤，在藍(lán)藻打撈過程中能有效隔離表層富藻水和非表層富藻水，可有效提高表層藍(lán)藻精準(zhǔn)打撈效率。

藍(lán)藻汲取盤通過水力方式對(duì)湖泊表面富藻水進(jìn)行汲取收集，其汲取頭的水力性能直接影響富藻水的汲取收集效果，其中影響水力性能的主要指標(biāo)包括，一是汲取頭在水體表層各個(gè)方向汲取富藻水流量的均勻性，二是汲取頭內(nèi)部水體流態(tài)良好，避免旋渦、回流等流動(dòng)的紊亂狀態(tài)的出現(xiàn)。本文介紹的藍(lán)藻汲取盤主要依據(jù)水動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，其汲取頭內(nèi)部流動(dòng)特性直接影響藍(lán)藻汲取盤的效率與均勻度，因此需要對(duì)藍(lán)藻汲取盤汲取頭的水力特性分析。數(shù)值模擬技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為解決工程技術(shù)問題及裝備研發(fā)提供了有效的技術(shù)手段[4-6]。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)（CFD），以清水為介質(zhì)，對(duì)藍(lán)藻汲取盤汲取頭內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了三維定常數(shù)值模擬，分析了藍(lán)藻汲取盤汲取頭整體水力方案的流動(dòng)特性。通過對(duì)藍(lán)藻汲取盤汲取頭內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行的研究，得到了清水進(jìn)入藍(lán)藻汲取盤汲取頭后內(nèi)部流動(dòng)速度的分布，分析了藍(lán)藻汲取盤汲取頭內(nèi)部流體流動(dòng)的通暢性、藍(lán)藻汲取盤汲取頭的汲取均勻度以及內(nèi)部過流通道設(shè)計(jì)的合理性。

1 藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部流場數(shù)值分析

1.1 藍(lán)藻汲取盤的結(jié)構(gòu)及作用原理

該藍(lán)藻汲取盤包括汲取頭、分流控制盤、阻氣機(jī)構(gòu)和傘狀刀型隔離柵（見圖1），其中阻氣機(jī)構(gòu)是為了防止空氣的吸入，傘狀刀型隔離柵起到過濾垃圾作用，分流控制盤由可拆卸的分流控制延展盤片組成，為了增加水體表層各個(gè)方向汲取富藻水流量的均勻性，汲取頭是藍(lán)藻汲取盤的主要過流部件。

圖1 藍(lán)藻汲取盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the blue-green algae suction device structure

藍(lán)藻汲取盤的汲取頭是按水動(dòng)力原理設(shè)計(jì)，流線型的設(shè)計(jì)能夠保證各個(gè)方向汲取富藻水流量的均勻性，同時(shí)避免旋渦、回流等流動(dòng)的紊亂狀態(tài)的出現(xiàn)，減少水流通過汲取頭時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)水頭損失。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，對(duì)包括汲取頭和分流控制盤兩部分的主要水力過流部件的內(nèi)部水流流動(dòng)的流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析分流控制盤部件水體表層各個(gè)方向水流流量的均勻性，以及汲取頭部分內(nèi)部水流流動(dòng)是否存在旋渦、回流等流動(dòng)的紊亂狀態(tài)，通過計(jì)算汲取頭進(jìn)口和出口之間的壓力差，依據(jù)伯努利能量方程，分析汲取頭內(nèi)部水流流動(dòng)的水頭損失，檢驗(yàn)藍(lán)藻汲取盤汲取頭和分流控制盤的整體水力性能。

該藍(lán)藻汲取盤的設(shè)計(jì)流量為1 000 m3/h，可作業(yè)水深≥1.0 m，表層水抽吸厚度為0.2 m。藍(lán)藻汲取盤分流控制盤的直徑為3 m，圓周方向均勻分布16 個(gè)延展盤片，藍(lán)藻汲取盤汲取頭出口法蘭直徑為0.45 m。

1.2 . 數(shù)值計(jì)算

為了分析分流控制盤對(duì)水流均勻性的控制，以及藍(lán)藻汲取盤的汲取頭流線型設(shè)計(jì)的合理性，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，對(duì)包括分流控制盤和汲取頭的過流部件內(nèi)部水體的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用了Reynolds 時(shí)均湍流全三維數(shù)值仿真方法，流動(dòng)湍流模型應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)模型。計(jì)算的進(jìn)出口邊界條件分別設(shè)定了速度進(jìn)口和壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件。以清水作為計(jì)算介質(zhì)，對(duì)藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部流動(dòng)通道的整體流態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。

數(shù)值模擬的計(jì)算域包括分流控制盤和汲取頭，其中，分流控制盤流域包含了圓周方向均布的分流控制延展盤片，起到控制流動(dòng)的作用。為了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，減少來流條件的干擾，對(duì)分流控制盤水域進(jìn)行延展作為進(jìn)水域，出口管道延長段作為出水域?？紤]到藍(lán)藻汲取盤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了提高計(jì)算效率，選擇了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行了劃分（見圖2），計(jì)算網(wǎng)格單元總數(shù)為200 萬。

圖2 藍(lán)藻汲取盤計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid of the blue-green algae suction device

數(shù)值試驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)路線為選取藍(lán)藻汲取盤的分流控制盤和汲取頭為研究對(duì)象，首先，在設(shè)計(jì)流量（Q=1 000 m3/h）工況點(diǎn)下，對(duì)包括分流控制盤和汲取頭在內(nèi)的藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部水流的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過對(duì)整體流場的分析以及不同過流截面上流體流態(tài)分布的分析，研究論證藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部水流流動(dòng)的性能；然后，進(jìn)一步在不同的流量工況條件下，包括設(shè)計(jì)流量工況Q =1 000 m3/h 及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，對(duì)包括分流控制盤和汲取頭在內(nèi)的藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部水流的流動(dòng)產(chǎn)生的水頭損失進(jìn)行計(jì)算，分析汲取頭流線型通道設(shè)計(jì)的合理性；最后通過對(duì)水體表層圓周方向各方向的汲取流量的均勻性的計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)流量工況Q=1 000 m3/h 及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，汲取盤內(nèi)流量分布均勻度進(jìn)行分析，檢驗(yàn)汲取頭過流通道水力性能。通過以上數(shù)值試驗(yàn)檢驗(yàn)以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：一是汲取頭在水體表層各個(gè)方向汲取富藻水流量的均勻性要良好；二是汲取頭內(nèi)部水體流態(tài)良好，避免旋渦、回流等流動(dòng)的紊亂狀態(tài)的出現(xiàn)。

2 藍(lán)藻汲取盤流態(tài)分析

2.1 整體流場分布

藍(lán)藻汲取盤內(nèi)水流沿壁面流動(dòng)速度的分布反映了藍(lán)藻汲取盤內(nèi)流動(dòng)趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)流量（Q=1 000 m3/h）工況下，對(duì)藍(lán)藻汲取盤內(nèi)流場分布進(jìn)行了分析。圖3 為藍(lán)藻汲取盤內(nèi)內(nèi)流動(dòng)速度矢量圖，圖中顏色的深淺代表了水流速度的大小。從圖中可以看出水流從藍(lán)藻汲取盤的前端分流控制盤進(jìn)口邊處進(jìn)入汲取盤后沿著延展盤片流動(dòng)，并由圓周方向流向汲取頭進(jìn)入彎管流域，水流在進(jìn)入彎管段后，流動(dòng)通暢，基本呈現(xiàn)流線型流動(dòng)，后沿著彎管與出水管連接方向流向出水管道。水流進(jìn)入從藍(lán)藻汲取盤后，從分流控制盤到延展盤片、再到汲取頭的彎管段、最后流向出水管路，隨著流動(dòng)截面面積的不斷減小，水流流速呈現(xiàn)較為平緩的增大趨勢(shì)，流速過渡過程中沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象。藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部流動(dòng)較為通暢，基本無流動(dòng)擾動(dòng)，沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等紊亂流動(dòng)形態(tài)，內(nèi)部流動(dòng)性能良好。

圖3 藍(lán)藻汲取盤整體流態(tài)分布Fig.3 Overall flow pattern distribution of the blue-green algae suction device

2.2 不同截面上的流態(tài)分布

為了對(duì)藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行分析，過汲取盤中心對(duì)稱面做截面，分析中心對(duì)稱截面上的流態(tài)分布。圖4 為藍(lán)藻汲取盤中心對(duì)稱截面上的流動(dòng)速度矢量圖，圖中顏色的深淺代表了水流速度的大小。在該截面上流體在進(jìn)入汲取盤彎管段后，由于通過通道截面面積的逐漸減少，流動(dòng)速度逐漸增大，該增加趨勢(shì)平穩(wěn)，流場內(nèi)沒有旋渦、回流，沒有出現(xiàn)明顯的擾動(dòng)。在彎管上部曲率較大處，存在小范圍的流速高速區(qū)。在該高速區(qū)內(nèi)，流動(dòng)速度由平均1.8 m/s，增加到平均2.5 m/s，局部流速增加在40%以內(nèi)。該流速高速區(qū)分布不大，流動(dòng)差也較小，因此其存在對(duì)整體流場影響不大。

圖4 中心對(duì)稱截面上的流態(tài)分布Fig.4 Flow distribution on a centrally symmetric cross section

截取汲取盤圓周方向的截面，對(duì)該截面上流場進(jìn)行分析。圖5 為藍(lán)藻汲取盤圓周截面上的流動(dòng)速度矢量圖，圖中顏色的深淺代表了水流速度的大小。從圖中可以看出，在汲取盤的中央位置，流速分布范圍在0.2～0.5 m/s 之間。同時(shí)，在汲取盤偏向左側(cè)，由于彎管段的影響，流速略有增大，最大流速在0.5 m/s 左右。而在汲取盤偏向右側(cè)，流速則略有減小，最大流速在0.35 m/s 左右。但從總體上分析，流速變化不大，流動(dòng)分布基本均勻，流動(dòng)形態(tài)良好。

圖5 圓周截面上的流態(tài)分布Fig.5 Flow distribution on a circular cross section

2.3 流動(dòng)水頭損失的計(jì)算

藍(lán)藻水流經(jīng)汲取盤過流通道會(huì)產(chǎn)生沿途及局部水頭損失，該水頭損失的大小反映了汲取盤內(nèi)部流動(dòng)特性。對(duì)設(shè)計(jì)流量工況條件下Q=1 000 m3/h及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，汲取盤進(jìn)口和出口處的流動(dòng)總能量進(jìn)行了計(jì)算，得到進(jìn)出口能量差值，折合流動(dòng)水頭損失，其值見表1。在2種流量工況條件下，藍(lán)藻水汲取盤內(nèi)流動(dòng)水頭損失分別為0.02 m 和0.03 m，水頭損失很小，說明汲取盤內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)良好。

表1 汲取盤內(nèi)水體流動(dòng)產(chǎn)生的水頭損失Table 1 The head loss caused by the water flow in the suction device

2.4 汲取盤內(nèi)流量分布均勻度分析

藍(lán)藻汲取盤在對(duì)湖泊表面富藻水進(jìn)行汲取收集的過程中，汲取盤在水體表層圓周方向各方向的汲取流量的均勻性，直接影響了汲取富藻水的效果，因此，對(duì)汲取盤在圓周各方向汲取富藻水的流量分布情況進(jìn)行分析，以評(píng)價(jià)汲取盤的性能。

以汲取盤圓盤軸線為分隔，取汲取盤過流通道上不同的過流斷面1-1、1-2、2-1、2-2、3-1及3-2 作為流量分布分析截面（見圖6），對(duì)汲取盤在圓周方向上的流量分布情況進(jìn)行定量分析。

圖6 過流通道截面示意圖Fig.6 Cross section diagram of flow passage

1） 設(shè)計(jì)流量（Q=1 000 m3/h）工況流量分布

在過流流量為Q=1 000 m3/h 的工況下，通過CFD 技術(shù)進(jìn)行汲取盤內(nèi)部流動(dòng)模擬，計(jì)算得到過流通道各截面上的流量分布（見圖7），分析流量的變化對(duì)汲取盤內(nèi)部流動(dòng)分布的影響。

圖7 Q=1 000 m3/h 流動(dòng)通道截面流量分布圖Fig.7 Flow channel cross-sectional flow distribution diagram(Q=1 000 m3/h)

從圖7 中可以看出，在汲取盤汲取藍(lán)藻水的進(jìn)口位置，在圓周方向上各個(gè)方向的流量分布比較均勻。其中1-1 截面流量占比為55.1%，1-2截面流量占比為44.9%，流量偏差在10%左右。說明汲取盤在圓周方向上汲取藍(lán)藻水是均勻的，汲取盤流動(dòng)性能良好。在藍(lán)藻水通過2-1、2-2、3-1、3-2 截面時(shí)，由于彎管段左右不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，流量分布出現(xiàn)變化。其中2-1 截面流量占比為57.5%，2-2 截面流量占比為42.5%，流量偏差在15%左右。3-1 截面流量占比為66.9%，3-2 截面流量占比為33.1%，流量偏差在34%左右。在第二截面和第三截面，過流量部分不均勻度增加，但對(duì)流場的穩(wěn)定性影響不大，同時(shí)不會(huì)影響汲取盤在圓周方向上汲取藍(lán)藻水的均勻性。

2） 大流量（Q=2 000 m3/h）工況對(duì)流量分布的影響

在過流流量為Q=2 000 m3/h 的工況下，通過CFD 技術(shù)進(jìn)行汲取盤內(nèi)部流動(dòng)模擬，計(jì)算得到過流通道各截面上的流量分布（見圖8），分析流量的變化對(duì)汲取盤內(nèi)部流動(dòng)分布的影響。

圖8 Q=2 000 m3/h 流動(dòng)通道截面流量分布圖Fig.8 Flow channel cross-sectional flow distribution diagram(Q=2 000 m3/h)

從圖8 中可以看出，汲取盤流量增大到Q=2 000 m3/h 時(shí)，在1-1 截面流量占比為55.1%，1-2截面流量占比為44.9%，流量偏差在10%左右，在第一截面上與Q=1 000 m3/h 時(shí)相比流量分布沒有發(fā)生變化。在2-1 截面流量占比為59.9%，2-2截面流量占比為40.1%，流量偏差在20%左右，在第二截面上與Q=1 000 m3/h 時(shí)相比流量分布不均勻度略有增加。在3-1 截面流量占比為66.7%，3-2 截面流量占比為33.3%，流量偏差在33%左右，流量偏差與Q=1 000 m3/h 時(shí)相比基本持平。在Q=2 000 m3/h 時(shí)汲取盤3 個(gè)流動(dòng)通道截面上的流量分布情況，與Q=1 000 m3/h 時(shí)相比基本變化不大，說明汲取盤汲取藍(lán)藻水流量的增加對(duì)流動(dòng)通道內(nèi)部流動(dòng)分布影響不大。

3 結(jié)語

1） 藍(lán)藻汲取盤內(nèi)部流動(dòng)較為通暢，流速過渡過程中沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象。在中心對(duì)稱截面及圓周截面上的流態(tài)分布流速過度均勻，整體流動(dòng)基本無流動(dòng)擾動(dòng)，沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等紊亂流動(dòng)形態(tài)，內(nèi)部流動(dòng)性能良好。

2） 藍(lán)藻汲取盤在設(shè)計(jì)流量工況及大流量工況條件下，內(nèi)部流動(dòng)水頭損失很小，說明汲取盤內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)良好。

3） 在汲取盤汲取藍(lán)藻水的進(jìn)口位置，在圓周方向上各個(gè)方向的流量分布比較均勻，在藍(lán)藻水通過彎管段時(shí)，由于左右不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，流量分布出現(xiàn)變化，流量不均勻度增加，但對(duì)流場的穩(wěn)定性影響不大，同時(shí)不會(huì)影響汲取盤在圓周方向上汲取藍(lán)藻水的均勻性。