湖泊水華藍藻汲取裝備水力性能數值模擬研究

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企業重點實驗室，天津 300457；2.中交天航環保工程有限公司，天津 300461）

0 引言

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

藍藻汲取盤通過水力方式對湖泊表面富藻水進行汲取收集，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包括，一是汲取頭在水體表層各個方向汲取富藻水流量的均勻性，二是汲取頭內部水體流態良好，避免旋渦、回流等流動的紊亂狀態的出現。本文介紹的藍藻汲取盤主要依據水動力學原理設計，其汲取頭內部流動特性直接影響藍藻汲取盤的效率與均勻度，因此需要對藍藻汲取盤汲取頭的水力特性分析。數值模擬技術在工程技術領域得到廣泛的應用，為解決工程技術問題及裝備研發提供了有效的技術手段[4-6]。本文采用計算流體動力學技術（CFD），以清水為介質，對藍藻汲取盤汲取頭內部的流動進行了三維定常數值模擬，分析了藍藻汲取盤汲取頭整體水力方案的流動特性。通過對藍藻汲取盤汲取頭內部流動特性進行的研究，得到了清水進入藍藻汲取盤汲取頭后內部流動速度的分布，分析了藍藻汲取盤汲取頭內部流體流動的通暢性、藍藻汲取盤汲取頭的汲取均勻度以及內部過流通道設計的合理性。

1 藍藻汲取盤內部流場數值分析

1.1 藍藻汲取盤的結構及作用原理

該藍藻汲取盤包括汲取頭、分流控制盤、阻氣機構和傘狀刀型隔離柵（見圖1），其中阻氣機構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方向汲取富藻水流量的均勻性，汲取頭是藍藻汲取盤的主要過流部件。

圖1 藍藻汲取盤結構示意圖Fig.1 Diagram of the blue-green algae suction device structure

藍藻汲取盤的汲取頭是按水動力原理設計，流線型的設計能夠保證各個方向汲取富藻水流量的均勻性，同時避免旋渦、回流等流動的紊亂狀態的出現，減少水流通過汲取頭時產生的流動水頭損失。本文采用計算流體動力學（CFD）技術，對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部水流流動的流態進行數值模擬，分析分流控制盤部件水體表層各個方向水流流量的均勻性，以及汲取頭部分內部水流流動是否存在旋渦、回流等流動的紊亂狀態，通過計算汲取頭進口和出口之間的壓力差，依據伯努利能量方程，分析汲取頭內部水流流動的水頭損失，檢驗藍藻汲取盤汲取頭和分流控制盤的整體水力性能。

該藍藻汲取盤的設計流量為1 000 m3/h，可作業水深≥1.0 m，表層水抽吸厚度為0.2 m。藍藻汲取盤分流控制盤的直徑為3 m，圓周方向均勻分布16 個延展盤片，藍藻汲取盤汲取頭出口法蘭直徑為0.45 m。

1.2 . 數值計算

為了分析分流控制盤對水流均勻性的控制，以及藍藻汲取盤的汲取頭流線型設計的合理性，采用計算流體動力學（CFD）技術，對包括分流控制盤和汲取頭的過流部件內部水體的流動進行了數值模擬。數值模擬采用了Reynolds 時均湍流全三維數值仿真方法，流動湍流模型應用了標準模型。計算的進出口邊界條件分別設定了速度進口和壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件。以清水作為計算介質，對藍藻汲取盤內部流動通道的整體流態進行了計算分析。

數值模擬的計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，起到控制流動的作用。為了數值計算的準確性，減少來流條件的干擾，對分流控制盤水域進行延展作為進水域，出口管道延長段作為出水域。考慮到藍藻汲取盤結構的復雜性，為了提高計算效率，選擇了適應性較強的非結構化網格對計算流域進行了劃分（見圖2），計算網格單元總數為200 萬。

圖2 藍藻汲取盤計算網格Fig.2 Computational grid of the blue-green algae suction device

數值試驗的整體設計路線為選取藍藻汲取盤的分流控制盤和汲取頭為研究對象，首先，在設計流量（Q=1 000 m3/h）工況點下，對包括分流控制盤和汲取頭在內的藍藻汲取盤內部水流的流動進行數值模擬計算，通過對整體流場的分析以及不同過流截面上流體流態分布的分析，研究論證藍藻汲取盤內部水流流動的性能；然后，進一步在不同的流量工況條件下，包括設計流量工況Q =1 000 m3/h 及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，對包括分流控制盤和汲取頭在內的藍藻汲取盤內部水流的流動產生的水頭損失進行計算，分析汲取頭流線型通道設計的合理性；最后通過對水體表層圓周方向各方向的汲取流量的均勻性的計算，對設計流量工況Q=1 000 m3/h 及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，汲取盤內流量分布均勻度進行分析，檢驗汲取頭過流通道水力性能。通過以上數值試驗檢驗以下設計目標：一是汲取頭在水體表層各個方向汲取富藻水流量的均勻性要良好；二是汲取頭內部水體流態良好，避免旋渦、回流等流動的紊亂狀態的出現。

2 藍藻汲取盤流態分析

2.1 整體流場分布

藍藻汲取盤內水流沿壁面流動速度的分布反映了藍藻汲取盤內流動趨勢。在設計流量（Q=1 000 m3/h）工況下，對藍藻汲取盤內流場分布進行了分析。圖3 為藍藻汲取盤內內流動速度矢量圖，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藻汲取盤的前端分流控制盤進口邊處進入汲取盤后沿著延展盤片流動，并由圓周方向流向汲取頭進入彎管流域，水流在進入彎管段后，流動通暢，基本呈現流線型流動，后沿著彎管與出水管連接方向流向出水管道。水流進入從藍藻汲取盤后，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，隨著流動截面面積的不斷減小，水流流速呈現較為平緩的增大趨勢，流速過渡過程中沒有出現突變現象。藍藻汲取盤內部流動較為通暢，基本無流動擾動，沒有出現明顯的旋渦、回流等紊亂流動形態，內部流動性能良好。

圖3 藍藻汲取盤整體流態分布Fig.3 Overall flow pattern distribution of the blue-green algae suction device

2.2 不同截面上的流態分布

為了對藍藻汲取盤內部流態進行分析，過汲取盤中心對稱面做截面，分析中心對稱截面上的流態分布。圖4 為藍藻汲取盤中心對稱截面上的流動速度矢量圖，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，流動速度逐漸增大，該增加趨勢平穩，流場內沒有旋渦、回流，沒有出現明顯的擾動。在彎管上部曲率較大處，存在小范圍的流速高速區。在該高速區內，流動速度由平均1.8 m/s，增加到平均2.5 m/s，局部流速增加在40%以內。該流速高速區分布不大，流動差也較小，因此其存在對整體流場影響不大。

圖4 中心對稱截面上的流態分布Fig.4 Flow distribution on a centrally symmetric cross section

截取汲取盤圓周方向的截面，對該截面上流場進行分析。圖5 為藍藻汲取盤圓周截面上的流動速度矢量圖，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，在汲取盤偏向左側，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，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，流動分布基本均勻，流動形態良好。

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

2.3 流動水頭損失的計算

藍藻水流經汲取盤過流通道會產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部流動特性。對設計流量工況條件下Q=1 000 m3/h及大流量工況條件下Q=2 000 m3/h，汲取盤進口和出口處的流動總能量進行了計算，得到進出口能量差值，折合流動水頭損失，其值見表1。在2種流量工況條件下，藍藻水汲取盤內流動水頭損失分別為0.02 m 和0.03 m，水頭損失很小，說明汲取盤內流動狀態良好。

表1 汲取盤內水體流動產生的水頭損失Table 1 The head loss caused by the water flow in the suction device

2.4 汲取盤內流量分布均勻度分析

藍藻汲取盤在對湖泊表面富藻水進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，對汲取盤在圓周各方向汲取富藻水的流量分布情況進行分析，以評價汲取盤的性能。

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），對汲取盤在圓周方向上的流量分布情況進行定量分析。

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

1） 設計流量（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 技術進行汲取盤內部流動模擬，計算得到過流通道各截面上的流量分布（見圖7），分析流量的變化對汲取盤內部流動分布的影響。

圖7 Q=1 000 m3/h 流動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，在汲取盤汲取藍藻水的進口位置，在圓周方向上各個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藻水是均勻的，汲取盤流動性能良好。在藍藻水通過2-1、2-2、3-1、3-2 截面時，由于彎管段左右不對稱的結構，流量分布出現變化。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，但對流場的穩定性影響不大，同時不會影響汲取盤在圓周方向上汲取藍藻水的均勻性。

2） 大流量（Q=2 000 m3/h）工況對流量分布的影響

在過流流量為Q=2 000 m3/h 的工況下，通過CFD 技術進行汲取盤內部流動模擬，計算得到過流通道各截面上的流量分布（見圖8），分析流量的變化對汲取盤內部流動分布的影響。

圖8 Q=2 000 m3/h 流動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，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 時相比流量分布沒有發生變化。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 時相比基本持平。在Q=2 000 m3/h 時汲取盤3 個流動通道截面上的流量分布情況，與Q=1 000 m3/h 時相比基本變化不大，說明汲取盤汲取藍藻水流量的增加對流動通道內部流動分布影響不大。

3 結語

1） 藍藻汲取盤內部流動較為通暢，流速過渡過程中沒有出現突變現象。在中心對稱截面及圓周截面上的流態分布流速過度均勻，整體流動基本無流動擾動，沒有出現明顯的旋渦、回流等紊亂流動形態，內部流動性能良好。

2） 藍藻汲取盤在設計流量工況及大流量工況條件下，內部流動水頭損失很小，說明汲取盤內流動狀態良好。

3） 在汲取盤汲取藍藻水的進口位置，在圓周方向上各個方向的流量分布比較均勻，在藍藻水通過彎管段時，由于左右不對稱的結構，流量分布出現變化，流量不均勻度增加，但對流場的穩定性影響不大，同時不會影響汲取盤在圓周方向上汲取藍藻水的均勻性。