南水北調中線干渠浮油攔截裝置設計研究

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 機械學院，河南 鄭州 450045；2.黃河機械有限責任公司，河南 鄭州 450029）

南水北調中線干渠地跨河南、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交通事故（油類運輸車泄漏）或節制閘機房中機電設備油液泄漏等，將影響沿線城市用水安全，甚至短時間內造成大量生命和財產損失［1-2］，因此有必要建立應對此類突發油污染事件的應急預案。南水北調中線干渠浮油污染大多數為成品油，如煤油和柴油，在南水北調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

南水北調中線干渠輸水水質標準為飲用水，即要求水質達到地表水Ⅱ類水標準，處理浮油類污染物時，以不造成二次污染為目標。總干渠輸水由節制閘控制，突發浮油類污染事故后，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 攔截裝置結構

南水北調中線干渠渠道寬，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。針對突發浮油污染事故，攔油裝置的承載需要借助串聯式平臺［7］。攔油裝置串聯式平臺為多節串聯型，每節長3 m、厚5 mm，節與節之間利用PVC板實現軟連接，以增強攔油裝置因上游水流沖擊而產生變形的自補償性，同時便于設備的運輸與安裝。如圖2所示，攔油裝置通過定位裝置安裝于串聯式平臺前端，工作人員通過定位裝置中的手輪實現攔油裝置吃水深度的快速調節，使其能夠應對不同水位和風浪工況。

圖2 攔油裝置和串聯式平臺安裝

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前后流場進行數值模擬分析，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

干渠流場屬于湍流流場，標準k-ε方程具有很好的魯棒性、經濟性，可以對大范圍湍流進行合理預測，因此選擇標準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；μt為渦黏性系數，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；Gk為層流速度梯度產生的湍流動能；Yk為因在可壓縮湍流中過渡擴散而產生的波動；Gb為浮力產生的湍流動能；cε1、cε2、cε3為經驗常數，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，經驗常數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，出口處設為外流；渠底、渠岸及攔油裝置和串聯式平臺為邊界，串聯式平臺與渠岸角度均設置為45°，見圖4。將離散后的模型導入FLUENT模塊中，最大迭代次數設為500次，進行求解計算。

圖4 模型邊界條件

3.3 結果及分析

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小；直角形、弧形、直槽形攔油裝置最大流速發生位置相同，即導流口處，直槽形攔油裝置流速較大區域為導流口下游，直角形、弧形攔油裝置流速較大區域為串聯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定。對于流體表面薄層浮油的攔截，流場越穩定浮油攔截效果越好。圓槽形攔油裝置前后流場相對穩定，同時攔油裝置浮在水面上的擋板可以防風浪沖擊，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流。

4 結 語

針對南水北調中線輸水干渠輸水工況，以串聯式平臺為支撐，設計了5種不同形狀的攔油裝置安裝在平臺上游一側進行攔污導流。基于湍流流場k-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，經模擬圓槽形攔油裝置前后流場相對穩定，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流。目前該攔油裝置以及串聯式平臺已在河南省鄭州市十八里河段和北據馬節制閘前進行了浮油污染應急處理演練，效果良好，攔油率達到90%，可以在南水北調中線干渠推廣應用。