污水不同排放流速對擴散器內海水清除能力數值模擬研究

于 航，白景峰，王心海

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

污水不同排放流速對擴散器內海水清除能力數值模擬研究

于 航，白景峰，王心海

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

在污水排海工程中，擴散器可提供給污水極大的初始稀釋能力，對海洋生態及水質能夠起到明顯的保護作用。文章針對目前污水排海過程中的海水入侵問題，以數值模擬為主要技術手段，通過分析多種污水流速條件下的擴散器海水清除過程，掌握其流場變化機制。通過研究得出，在污水流量相對較大的情況下，污水清除時間較短，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散器海水臨界清除流速，為解決實際工程中的海水清除問題，提高工程運行效率提供實際依據。

擴散器；海水清除；數值模擬

在污水排海工程中，多孔擴散器的主要作用是通過它可以將污水均勻分散地排放到海洋環境水體中去，因此擴散器可提供給污水極大的初始稀釋，能夠對海洋生態及水質起到明顯的保護作用，已成為污水排海工程成功的關鍵因素［1］。

1 研究背景

目前污水深海處置工程中的一個主要研究內容是擴散器海水清除和防止入侵設計，由于工程間歇排放等原因，在很多情況下，海水會倒灌侵入擴散器系統，嚴重影響擴散器排放效果，而要將入侵到擴散器系統內的海水清除出來決非易事。現有的擴散器系統水力設計方法尚未將海水入侵與清除問題考慮在內，海水入侵問題在工程設計中未能得到很好解決。針對擴散器海水入侵機理與清除能力的研究，目前國內外已經有部分學者進行了相關研究工作。國外利用數值模擬計算進行該方向研究最早的是Mort、Burrows以及Larsen等人［2］，針對波浪對于海水入侵與清除進行了分析。后續Tony、Doyle等人［3］對該模型進行修正和完善，考慮兩種流體密度差對流動的影響。擴散器系統海水入侵與清除從流動、物質的遷移、摻混與擴散的角度看是一個十分復雜的現象，一維數值模型不足以反映其內部流動細節。鑒于此，英國Belfast大學曾建立二維數值模型對海水的清除過程進行模擬，認為在工程問題中所關心的是沿基本流向的流速變化過程，因此在計算中取軸向剖面進行二維計算。陳麗星［4］等人對于應力模型在污水排海工程中的應用進行了研究。綜上所述，數值模擬技術能反映擴散器系統內部的分層流動、浮力流動和摻混流動，有助于從定性的角度對流動特性進行理解。但對于不同流速下的污水清除能力研究目前還不多，鑒于各種實際因素的影響以及擴散器系統自身設計中的考慮不足，海水入侵現象在擴散器系統運行過程中時有發生且危害極大，因此有必要對污水不同排放流速對擴散器內海水的清除能力開展數值模擬研究，準確地預測設計的系統抵抗海水入侵和清除海水的能力，深刻理解其影響因素，以便在設計中采取合理的工程措施，制定合理的運行模式，確保污水處置工程的運行效率。

因此本文采用概化模型，通過數值模擬技術，將擴散器結構概念化設計，分析擴散器海水入侵過程的流場變化情況，根據常規結構型式對不同流速條件下擴散器內部的海水清除能力及流動特性進行分析，為提高擴散器海水清除能力提供理論依據。通過研究不同流速情況下擴散器內海水的清除過程，初步掌握海水與污水同時存在下的流動特性，對于提高污水深海排放的研究系統性和完整性是極其必要的，具有很強的學術價值與應用價值。

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

2 數學模型的建立及參數設置

考慮到模型的結構復雜性及后續整體計算效率，二維模型的構建以四邊形網格為主，整體模型方案的搭建及網格劃分分別采用Gambit、Workbench及ICEM來完成。考慮到各個污水排海工程的擴散器結構各有不同，因此本文中才用概化模型，將計算模型設置為最為常規的參數設置，選取每個上升管帶有2個噴口的結構型式，擴散器模型長度及上升管數量選取則依據目前排海工程的常規水量10 000 m3/d，設計5個上升管。

（1）排污管模型。

幾何模型尺寸如下：

排污管及計算流域長4 000 mm，寬1 254 mm；

主管道長3 400 mm，直徑54 mm；

支管數量5、支管長100 mm，直徑20 mm；

噴口長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。

考慮到模型的結構復雜性及后續整體計算效率，二維模型的構建以四邊形網格為主，三維模型則以六面體為主。

（3）網格劃分。

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

（4）邊界條件。

本計算采用的為ANSYS Fluent（15.0）軟件，ANSYS Fluent軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。ANSYS Fluent軟件針對每一種流動的物理問題特點，采用適合于它的數值解法，可以在計算速度、穩定性和精度等各方面達到最佳，且作為一款國際知名的CFD仿真工具，得到了廣泛的應用及驗證。

①進口

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

②壁面

計算域上表面設置為對稱型式，表示不存在垂直于該表面的物理量；為區分擴散器內外部，將模型內部設置為內部區域；其他各界面作為不流通界面設計為壁面。

③出口

在計算域上部每個上升管左右各開設一個出口，以保證整個計算域的質量守恒及流動均衡；出口設置為壓力出口。

（5）流體屬性。

本文在計算過程中考慮管道內部的污水與海水，不同流體屬性設置如表1所示，管道外部海域流體在本文中只考慮重力因素，設置垂向流動。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。

（6）計算模型。

本文模型設定基本方式如下：

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質量守恒方程

表1 材料及相關屬性Tab.1 Materials and related properties

式中：ρ為流體密度；uˉ和uˉg分別為流體和網格運動速度；t為時間坐標；V和A分別為網格單元體積和單元面的面積；n?為單元面的外法線方向；Sdm為質量源項。

②動量守恒方程

式中：Sdv為動量源項；SvA為面積力源項；p表示廣義壓力；

為有效粘性系數，求解層流問題時 μeff=μ，求解湍流時μeff=μ+μt；

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

③能量守恒方程

式中：ΓH為擴散項系數；H為流體總焓；λ為導熱系數；cp為比熱容；Prt為湍流普朗特數；SHA為面積力做功部分；SdH為焓變項；Sr為化學反應熱源項。

3 計算結果分析

計算采用非穩態流動，時間步長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程，其中進口設定為速度進口邊界條件，進口管長與進口管徑的比值大于10以保障進口速度為充分發展段，入口污水百分比為100%，計算時間不低于360 s。計算過程中對模型的殘差進行整體監控，結合迭代過程庫朗數的實時變化以判斷模型的整體收斂。污水流速設置根據以往工程經驗，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，擴散器內部污水的流動過程。

（1）污水流速0.1 m/s計算結果。

圖2 流速0.1 m/s時刻320 s時排污管及周圍海域污水與海水混合狀況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的計算云圖如圖2所示。

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

（2）污水流速0.15 m/s計算結果。

污水流速為0.15 m/s的計算云圖如圖3所示。

根據計算結果可知，該流速下污水無法完成管道內海水的清除，擴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，在同樣時刻下，擴散器內部的海水清除速度相對較快，污水從擴散器噴出后，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計算結果。

污水流速為0.3 m/s的計算云圖如圖4所示。

將污水的流速升至0.3 m/s，對比管道內污水的擴散進程可發現，在100 s時刻既完成了管道內海水的全部清除，但海水的分層現象比較明顯，即在管道內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，該流速高于擴散器內部海水的臨界清除流速。選取的概化擴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散器的實際尺寸，因此分析結果可作為污水排海實際工程中海水清除的參考依據。同時為了分析不同污水流速情況下的海水清除規律，本文又選取了較大的污水流速進行了分析。

（4）污水流速0.4 m/s計算結果。

污水流速為0.4 m/s的計算云圖如圖5所示。

如圖5所知，當污水流速達到0.4 m/s時，擴散器中的海水能夠在更短的時間內被清除，約在90 s時，完成海水清除過程，海水在擴散器內部出現分層的現象也不明顯，說明在污水流速大于臨界清除流速時，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，若進行擴散器海水清除工作，可考慮使用較大的污水流速。

圖3 流速0.15 m/s時刻320 s時排污管及周圍海域污水與海水混合狀況Fig.3 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.15 m/s,320 s）

圖4 流速0.3 m/s時刻100 s時排污管及周圍海域污水與海水混合狀況Fig.4 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.3 m/s,100 s）

圖5 流速0.4 m/s時刻90 s時排污管及周圍海域污水與海水混合狀況Fig.5 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.4 m/s,90 s）

4 結論

（1）本文采用數值模擬的方法，計算了不同流速工況下擴散器內污水對海水的清除過程。從物性上來看，兩者的粘度處于相同數量級，且為小密度流體頂替大密度流體，參考多相流理論，驅替的效果將會是污水相尖端指進，同時懸浮于海水相的上緣，實際的仿真計算中同樣表現出該特征。

（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，排污管內污水終止于第3個支管，當入口速度升至0.15 m/s時，排污管內污水終止于第二個支管。當污水通過噴口流到海域中時存在因密度差而產生的對流浮力項以及流體普遍的擴散項，兩項對比可發現對流項呈主導地位，所有污水均集中在擴散器上部，排污管以下水體，基本不受影響。在高流速工況下，同樣表現出入口速度大海水清除效率高的規律，當入口速度為0.3 m/s時，在100 s時刻完成了排污管內海水的全部驅替，當入口速度升至0.4 m/s時，在90 s時刻即完成了排污管內海水的驅替。此狀態下污水在海水中的擴散與低流速工況下呈相同規律。

（3）海水入侵是污水排海工程的主要技術難題之一，對擴散器的危害較大［5］。目前對于擴散器的研究主要集中于其結構參數的研究，對后期運行過程中的問題關注力度不足。本文采用數值模擬的手段，對于擴散器在不同污水流速條件下的海水清除過程進行了研究，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律，為解決實際工程問題提供了理論依據。但對于更大污水流速情況下的海水清除過程還有待進一步研究，結合已有的研究成果，可得出較為準確的擴散器海水清除機制，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散器稀釋擴散效果研究［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.

［2］Burrows R,Mort R B.Wave action on multi?riser marine outfalls［J］.The Fluid Engineering Center,Cranfield,1989：367-380.

［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應力模型在熱分層流場的應用及優化［J］.清華大學學報：自然科學版，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.污水海洋擴散器海水入侵及清除特性研究［D］.南京：河海大學，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

中央級公益性科研院所基本科研業務費（TKS150209，TKS140212）

于航（1980-），男，天津市人，副研究員，主要從事海洋環境科學與污水深海排放工程設計研究。

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