污水不同排放流速對擴散器內(nèi)海水清除能力數(shù)值模擬研究.docx

1、第37卷第6期2016年12月JournalofWaterwayandHarbor污水不同排放流速對擴散器內(nèi)海水清除能力數(shù)值模跚究于航，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(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456)摘要: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(tài)及水質(zhì)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(shù)值模擬為主要技術(shù)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F,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

2、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(jù)。關(guān)鍵詞:擴散器;海水清除;數(shù)值模擬中圖分類號:X52;0242.1文獻標識碼:A文章編號:1005-8443(2016)06-0646-05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(huán)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?qū)Ｑ笊鷳B(tài)及水質(zhì)起到明顯的保護作用，已成為污水排海工程成功的關(guān)鍵因素。1研究背景目前污水深海處置工程中的一個主要研究內(nèi)容是擴散器海水清除和防止入侵設(shè)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(tǒng)，嚴重影響擴散器排放效果，而要將入侵

3、到擴散器系統(tǒng)內(nèi)的海水清除出來決非易事。現(xiàn)有的擴散器系統(tǒng)水力設(shè)計方法尚未將海水入侵與清除問題考慮在內(nèi)，海水入侵問題在工程設(shè)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(nèi)外已經(jīng)有部分學者進行了相關(guān)研究工作。國外利用數(shù)值模擬計算進行該方向研究最早的是Mort.Burrows以及Larsen等人，針對波浪對于海水入侵與清除進行了分析。后續(xù)Tony.Doyle等人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(tǒng)海水入侵與清除從流動、物質(zhì)的遷移、摻混與擴散的角度看是一個十分復雜的現(xiàn)象，一維數(shù)值模型不足以反映其內(nèi)部流動細節(jié)。鑒于此，英國Belfast大學曾建立二維數(shù)

4、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(guān)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(shù)值模擬技術(shù)能反映擴散器系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)自身設(shè)計中的考慮不足,海水入侵現(xiàn)象在擴散器系統(tǒng)運行過程中時有發(fā)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(nèi)海水的清除能力開展數(shù)值模擬研究，準確地預測設(shè)計的系統(tǒng)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(shè)計中采

5、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C因此本文采用概化模型，通過數(shù)值模擬技術(shù),將擴散器結(jié)構(gòu)概念化設(shè)計,分析擴散器海水入侵過程的流收稿日期：2016-02-25；修回日期：2016-06-01基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費(TKS150209,TKS140212)作者簡介：于航(1980-),男,天津市人,副研究員，主要從事海洋環(huán)境科學與污水深海排放工程設(shè)計研究。Biography:YUHang(1980-),male,associateprofessor.圖1排污管及流域整體網(wǎng)格模烈場變化情況,根據(jù)常規(guī)結(jié)構(gòu)型式對不同流速條件下擴散器內(nèi)部的海水清除能力及

6、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(jù)'通過研究不同流速情況下擴散器內(nèi)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(tǒng)性和完整性是極其必要的.具有很強的學術(shù)價值與應用價值°2數(shù)學模型的建立及參數(shù)設(shè)置考慮到模型的結(jié)構(gòu)復雜性及后續(xù)整體計算效率，二維模型Fig-1Overallgridmodel<ifdiffusionandwatershed的構(gòu)建以四邊形網(wǎng)格為主,整體模型方案的搭建及網(wǎng)格劃分分別采用Gambil'Workbench及ICEM來完成?？紤]到各個污水排海工程的擴散器結(jié)構(gòu)各有不同.因此本文中才用概化模型

7、，將計算模型設(shè)置為最為常規(guī)的參數(shù)設(shè)置，選取每個上升管帶有2個噴口的結(jié)構(gòu)型式.擴放器模型長度及上升管數(shù)量選取則依據(jù)目前排海T程的常規(guī)水ktlOOOOmVd,設(shè)計5個上升管。(1) 排污管模型。兒何模型尺寸如下：排污管及計算流域長4(X)0mm.寬I254mm;主管道長3400mm直徑54mm;支管數(shù)仙5、支管長100mm.宜徑20mm;噴口長20nun,直徑6.67mm、10min、15mm，與水平夾角0。、5。、10。；排污管主管頂部距離水面1000mm。(2) 流體模型。考慮到模型的結(jié)構(gòu)夏雜性及后續(xù)推體計算效率，二維模型的構(gòu)建以四邊形網(wǎng)格為主.三維模型則以六面體為主。(3) 網(wǎng)格劃分。排污管

8、二維擴散模型的平均網(wǎng)格尺度為24mm,采用四邊形+三角形混合模式進行流域的網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)為20.5萬，三維噴口模型的平均網(wǎng)格尺度為總體網(wǎng)格數(shù)為40萬,模型整體采用六面體模式進行網(wǎng)格劃分,具體詳情如圖1所示。(4) 邊界條件。本計算采用的為ANSYSFluent(15.0)軟件.ANSYSFluent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(guān)的業(yè)均可使用。ANSYSFlu前軟件針對每一種流動的物理問題特點，采用適合于它的數(shù)值解法，可以在計算速度、穩(wěn)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r廣泛的應用及驗證。 進口模型管道的進口

9、給定流速進口，污水速度大小為0.1m/s、0.15m/s、0.3ni/s,0.4m/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0.05ni/s.0.3m/s.湍流強度6%。 壁面計算域上表面設(shè)置為對稱型式,表示不存在垂忙于該表面的物理量:;為區(qū)分擴散器內(nèi)外部.將模型內(nèi)部設(shè)置為內(nèi)部區(qū)域;其他各界面作為不流通界面設(shè)計為壁面。 出口在計算域上部每個上升管左右各開設(shè)一個出口，以保證整個計算域的質(zhì)量守恒及流動均衡；出口設(shè)置為壓力出口O(5) 流體屆性。本文在計算過程中考慮管道內(nèi)部的污水與海水，不同流體屬性設(shè)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(shè)置垂向流動°本文

10、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。類別污水粘度：().001Pa-H密度：998kg/m材料選擇海水粘度:().(M)IPa-s密度：1()21kg/m'空T粘度：l.7894r-5Pa-s密度：1.225kg/m'操作壓力101325Pa-9.81m/s2表I材料及相關(guān)屬性Tab.1Vlatfiialsandndahuipn>|M*rti<*s+Jp(u-Mx),n(L4=JSdV(1)(6) i|*算模型。本文模型設(shè)定基本方式如下：控制方程:N-S方程；湍流模型:4-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

11、分形式： 質(zhì)雖守恒方程式中：p為流體密度；u和外分別為流體和網(wǎng)格運動速度；，為時間坐標；V和.4分別為網(wǎng)格單元體積和位元面的面積；n為單元面的外法線方向；S-為質(zhì)枇源項。 動ht守恒方程JpiidV+Jpiz(u-ndA=|/xH,Vw<M+js.ndl+JSdV(2)O'I.44|IS、A=-(/>+項)/+/M時(3)式中：s.b為動ht源項；&為面積力源項；/>表示廣義壓力；為有效粘性系數(shù)，求解層流問題時心=件.求解湍流時;心p(："C；由湍流模型確定.k和，分別為湍動能和湍流耗散率；/為單位張撾。£能址守恒方程*(pHdV+-iin

12、fLA=("V/爪14+岑+JS“爪14+J.Sm(IV(4)S,lt=tu(5)S"、=Sd”+S,(6)式中：rw為擴散項系數(shù)."=(§+斜；11為流體總海A為導熱系數(shù)；c為比熱容；Pr,為滴流普朗特數(shù);方為血枳力做功部分；S血為嬉變項；S,為化學反應熱源項3計算結(jié)果分析計算采用非穩(wěn)態(tài)流動.時間步K0.01-0.05S.采用()卜'多相流模型模擬污水在管路及噴嘴中的填充過程出中進II設(shè)定為速度進口邊界條件，進口管長與進門管徑的比位大丁T0以保障避【I速度為充分發(fā)展段.入口污水百分比為100%,計算時間不低于360$。計算過程中對模型的殘差進行

13、整體監(jiān)控，結(jié)合迭代過程庫朗數(shù)的實時變化以判斷模型的整體收斂。污水a(chǎn)K；甘“呵髯孩平圖2流速0.1m/s時刻320時排污管及周1時海域污水與海水混合狀況Kig.2(<>m|M)nrntdistributionof<lifFiisi(>nandstirnnindings<aaarea(0.1ni/s.32()s)流速設(shè)置根據(jù)以往程經(jīng)驗，分別為0.1m/sj).15m/s、0.3m/s和0.4m/so圖2中給出了在不同污水流速條件下，擴散器內(nèi)部污水的流動過程。(1) 污水流速0m/s計算結(jié)果。污水流速為0.1i)i/s的計算云圖如圖2所示°如圖2所知，入口速度

14、為().1m/s時,排污管內(nèi)污水皤終止于第3個支管，擴散器內(nèi)部的海水不能全部被清除，該流速情況卜的擴散器海水清除能Jj較弱，污水流速0.15m/s計算結(jié)果。污水流速為0.15m/s的計算云圖如圖3所示°根據(jù)汁算結(jié)果可知.該流速下污水無法完成管道內(nèi)海水的清除，擴散器模型中末端I.升管位置的海水仍然*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0.1m/s情況相比，在同樣時刻下，擴散器內(nèi)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祥效果越好。(2) 污水流速0.3m/s計算結(jié)果。污水

15、流速為0.3m/s的計算云圖如圖4所示將污水的流速升至0.3m/s,對比管道內(nèi)污水的擴散進程可發(fā)現(xiàn).ft100s時刻既完成了管道內(nèi)海水的全部清除，但海水的分層現(xiàn)象比較明顯，即在管道內(nèi)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(nèi)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0.15-0.3ni/*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(jié)果可作為污水排海實際匚程中海水清除的參號依據(jù)同時為r分析不同污水流速情況下的海水清除規(guī)律，本文乂選取了較大的污水流速進行了分析”(3) 污水流速0.4mA計算結(jié)果。污水流速為0.4m/s的計算

16、云圖如圖5所示。如圖5所知，當污水流速達到0.4m/s時,擴散器中的海水能夠在更短的時間內(nèi)被清除,約在90s時.完成海水清除過程，海水在擴散器內(nèi)部出現(xiàn)分層的現(xiàn)象也不明顯.說明在污水流速大于臨界清除流速時,0.4m/s較0.3m/s的污水流速海水清除效果更佳，因此在程條件允許的情況下.若進行擴散器海水清除丁.作，可號慮使用較大的污水流速，4結(jié)論圖3流速0.15m/s時刻320s時排污肯及周圍海域污水與海水混合狀況Fig.3(<>ni|M>ncnt(lislril)uti(mof(liflusi<»naiulsurnninding>raan*a(0.15ni

17、/s.32()s)圖4流速0.3ni/s時刻100s時排污管及周圍海域污水與海水混介狀況Fig.4(j)in|M»ncnl<lislrilHi!ionofdiffusionandsiirnHindingan*a(0.3m/s.UK)s)圖5流速0.4i心時刻9()-時排污管及周圍海域污水'j海水混合狀況Fig.5Coin|M>ncnldistrilnitioiiofdiflusionandsurrouixiingmianwa(0.4m/s,90s)(1) 本文采用數(shù)值模擬的方法,計算r不同流速況下擴散器內(nèi)污水對海水的清除過程從物性上來看,兩名的粘度處相同數(shù)量級，且

18、為小富度流體頂替大密度流體.參與鄉(xiāng)相流理論，卵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(xiàn)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【I速度為0.1m/s時,排污代內(nèi)污水終止第3個支管.當入I速度升至0.15m/s時，排污管內(nèi)污水終止第二個交管當污水通過噴II流到海域中時#在因密度差而產(chǎn)生的對流浮力項以及流體悴遍的擴散項，兩項對比凹發(fā)現(xiàn)對流項KI*：導地位.所4污水均集中在擴散器上部，排污管以下水體,基本不受影響。在高流速況R同樣表現(xiàn)出入II速度大海水清除效率高的規(guī)律，當入口速度為0.3m/s時，在100s時刻完成排污管內(nèi)海水的全部驅(qū)替，當入口

19、速度升至0.4偽時.在90s時刻即完成了排污管內(nèi)海水的驅(qū)替。此狀態(tài)下污水在海水中的擴散與低的速況卜*相同規(guī)律(3)海水入侵是污水排海工程的主要技術(shù)難題之一,對擴散器的危害較大目前對于擴散器的研究主要集中于其結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，對后期運行過程中的問題關(guān)注力度不足。本文采用數(shù)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(guī)律，為解決實際工程問題提供了理論依據(jù)。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(jié)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。參考文獻：1于航，白景峰,王心海.大

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