污水不同排放流速对扩散器内海水清除能力数值模拟研究

于 航，白景峰，王心海

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

污水不同排放流速对扩散器内海水清除能力数值模拟研究

于 航，白景峰，王心海

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

在污水排海工程中，扩散器可提供给污水极大的初始稀释能力，对海洋生态及水质能够起到明显的保护作用。文章针对目前污水排海过程中的海水入侵问题，以数值模拟为主要技术手段，通过分析多种污水流速条件下的扩散器海水清除过程，掌握其流场变化机制。通过研究得出，在污水流量相对较大的情况下，污水清除时间较短，污水出流后与海水混合效果较明显。初步掌握一般形式下的扩散器海水临界清除流速，为解决实际工程中的海水清除问题，提高工程运行效率提供实际依据。

扩散器；海水清除；数值模拟

在污水排海工程中，多孔扩散器的主要作用是通过它可以将污水均匀分散地排放到海洋环境水体中去，因此扩散器可提供给污水极大的初始稀释，能够对海洋生态及水质起到明显的保护作用，已成为污水排海工程成功的关键因素［1］。

1 研究背景

目前污水深海处置工程中的一个主要研究内容是扩散器海水清除和防止入侵设计，由于工程间歇排放等原因，在很多情况下，海水会倒灌侵入扩散器系统，严重影响扩散器排放效果，而要将入侵到扩散器系统内的海水清除出来决非易事。现有的扩散器系统水力设计方法尚未将海水入侵与清除问题考虑在内，海水入侵问题在工程设计中未能得到很好解决。针对扩散器海水入侵机理与清除能力的研究，目前国内外已经有部分学者进行了相关研究工作。国外利用数值模拟计算进行该方向研究最早的是Mort、Burrows以及Larsen等人［2］，针对波浪对于海水入侵与清除进行了分析。后续Tony、Doyle等人［3］对该模型进行修正和完善，考虑两种流体密度差对流动的影响。扩散器系统海水入侵与清除从流动、物质的迁移、掺混与扩散的角度看是一个十分复杂的现象，一维数值模型不足以反映其内部流动细节。鉴于此，英国Belfast大学曾建立二维数值模型对海水的清除过程进行模拟，认为在工程问题中所关心的是沿基本流向的流速变化过程，因此在计算中取轴向剖面进行二维计算。陈丽星［4］等人对于应力模型在污水排海工程中的应用进行了研究。综上所述，数值模拟技术能反映扩散器系统内部的分层流动、浮力流动和掺混流动，有助于从定性的角度对流动特性进行理解。但对于不同流速下的污水清除能力研究目前还不多，鉴于各种实际因素的影响以及扩散器系统自身设计中的考虑不足，海水入侵现象在扩散器系统运行过程中时有发生且危害极大，因此有必要对污水不同排放流速对扩散器内海水的清除能力开展数值模拟研究，准确地预测设计的系统抵抗海水入侵和清除海水的能力，深刻理解其影响因素，以便在设计中采取合理的工程措施，制定合理的运行模式，确保污水处置工程的运行效率。

因此本文采用概化模型，通过数值模拟技术，将扩散器结构概念化设计，分析扩散器海水入侵过程的流场变化情况，根据常规结构型式对不同流速条件下扩散器内部的海水清除能力及流动特性进行分析，为提高扩散器海水清除能力提供理论依据。通过研究不同流速情况下扩散器内海水的清除过程，初步掌握海水与污水同时存在下的流动特性，对于提高污水深海排放的研究系统性和完整性是极其必要的，具有很强的学术价值与应用价值。

图1 排污管及流域整体网格模型Fig.1 Overall grid model of diffusion and watershed

2 数学模型的建立及参数设置

考虑到模型的结构复杂性及后续整体计算效率，二维模型的构建以四边形网格为主，整体模型方案的搭建及网格划分分别采用Gambit、Workbench及ICEM来完成。考虑到各个污水排海工程的扩散器结构各有不同，因此本文中才用概化模型，将计算模型设置为最为常规的参数设置，选取每个上升管带有2个喷口的结构型式，扩散器模型长度及上升管数量选取则依据目前排海工程的常规水量10 000 m3/d，设计5个上升管。

（1）排污管模型。

几何模型尺寸如下：

排污管及计算流域长4 000 mm，宽1 254 mm；

主管道长3 400 mm，直径54 mm；

支管数量5、支管长100 mm，直径20 mm；

喷口长20 mm，直径6.67 mm、10 mm、15 mm，与水平夹角0°、5°、10°；

排污管主管顶部距离水面1 000 mm。

（2）流体模型。

考虑到模型的结构复杂性及后续整体计算效率，二维模型的构建以四边形网格为主，三维模型则以六面体为主。

（3）网格划分。

排污管二维扩散模型的平均网格尺度为2～4 mm，采用四边形+三角形混合模式进行流域的网格划分，总体网格数为20.5万，三维喷口模型的平均网格尺度为1～2 mm，总体网格数为40万，模型整体采用六面体模式进行网格划分，具体详情如图1所示。

（4）边界条件。

本计算采用的为ANSYS Fluent（15.0）软件，ANSYS Fluent软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。ANSYS Fluent软件针对每一种流动的物理问题特点，采用适合于它的数值解法，可以在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳，且作为一款国际知名的CFD仿真工具，得到了广泛的应用及验证。

①进口

模型管道的进口给定流速进口，污水速度大小为0.1 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s，湍流强度为6%。模型喷口进口同样给定流速进口，速度大小0.05 m/s、0.3 m/s，湍流强度6%。

②壁面

计算域上表面设置为对称型式，表示不存在垂直于该表面的物理量；为区分扩散器内外部，将模型内部设置为内部区域；其他各界面作为不流通界面设计为壁面。

③出口

在计算域上部每个上升管左右各开设一个出口，以保证整个计算域的质量守恒及流动均衡；出口设置为压力出口。

（5）流体属性。

本文在计算过程中考虑管道内部的污水与海水，不同流体属性设置如表1所示，管道外部海域流体在本文中只考虑重力因素，设置垂向流动。本文中暂不考虑管道外部海域流体的流速和波浪引起的横向流动。

（6）计算模型。

本文模型设定基本方式如下：

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两种流体）

三大守恒方程的积分形式：

①质量守恒方程

表1 材料及相关属性Tab.1 Materials and related properties

式中：ρ为流体密度；uˉ和uˉg分别为流体和网格运动速度；t为时间坐标；V和A分别为网格单元体积和单元面的面积；n⇀为单元面的外法线方向；Sdm为质量源项。

②动量守恒方程

式中：Sdv为动量源项；SvA为面积力源项；p表示广义压力；

为有效粘性系数，求解层流问题时 μeff=μ，求解湍流时μeff=μ+μt；

μt=ρCμ，C由湍流模型确定，k和ε分别为湍动能和湍流耗散率；I为单位张量。

③能量守恒方程

式中：ΓH为扩散项系数；H为流体总焓；λ为导热系数；cp为比热容；Prt为湍流普朗特数；SHA为面积力做功部分；SdH为焓变项；Sr为化学反应热源项。

3 计算结果分析

计算采用非稳态流动，时间步长0.01～0.05 s，采用VOF多相流模型模拟污水在管路及喷嘴中的填充过程，其中进口设定为速度进口边界条件，进口管长与进口管径的比值大于10以保障进口速度为充分发展段，入口污水百分比为100%，计算时间不低于360 s。计算过程中对模型的残差进行整体监控，结合迭代过程库朗数的实时变化以判断模型的整体收敛。污水流速设置根据以往工程经验，分别为0.1 m/s、0.150 m/s、0.3 m/s和0.4 m/s。图2中给出了在不同污水流速条件下，扩散器内部污水的流动过程。

（1）污水流速0.1 m/s计算结果。

图2 流速0.1 m/s时刻320 s时排污管及周围海域污水与海水混合状况Fig.2 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.1 m/s,320 s）

污水流速为0.1 m/s的计算云图如图2所示。

如图2所知，入口速度为0.1 m/s时，排污管内污水最终止于第3个支管，扩散器内部的海水不能全部被清除，该流速情况下的扩散器海水清除能力较弱。

（2）污水流速0.15 m/s计算结果。

污水流速为0.15 m/s的计算云图如图3所示。

根据计算结果可知，该流速下污水无法完成管道内海水的清除，扩散器模型中末端上升管位置的海水仍然存在，即该流速低于深水排污的临界清除流速。但与污水流速为0.1 m/s情况相比，在同样时刻下，扩散器内部的海水清除速度相对较快，污水从扩散器喷出后，能与周边海水较快混合。因此在污水流速小于海水清除速度的条件下，污水流速越高，海水清除能力及污水稀释效果越好。

（3）污水流速0.3 m/s计算结果。

污水流速为0.3 m/s的计算云图如图4所示。

将污水的流速升至0.3 m/s，对比管道内污水的扩散进程可发现，在100 s时刻既完成了管道内海水的全部清除，但海水的分层现象比较明显，即在管道内部污水明显存在于管道上部，而海水存在于管道下部，由此可知，该流速高于扩散器内部海水的临界清除流速。选取的概化扩散器模型的海水临界清除流速介于0.15～0.3 m/s，由于概化模型参考了目前大部分污水排海扩散器的实际尺寸，因此分析结果可作为污水排海实际工程中海水清除的参考依据。同时为了分析不同污水流速情况下的海水清除规律，本文又选取了较大的污水流速进行了分析。

（4）污水流速0.4 m/s计算结果。

污水流速为0.4 m/s的计算云图如图5所示。

如图5所知，当污水流速达到0.4 m/s时，扩散器中的海水能够在更短的时间内被清除，约在90 s时，完成海水清除过程，海水在扩散器内部出现分层的现象也不明显，说明在污水流速大于临界清除流速时，0.4 m/s较0.3 m/s的污水流速海水清除效果更佳，因此在工程条件允许的情况下，若进行扩散器海水清除工作，可考虑使用较大的污水流速。

图3 流速0.15 m/s时刻320 s时排污管及周围海域污水与海水混合状况Fig.3 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.15 m/s,320 s）

图4 流速0.3 m/s时刻100 s时排污管及周围海域污水与海水混合状况Fig.4 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.3 m/s,100 s）

图5 流速0.4 m/s时刻90 s时排污管及周围海域污水与海水混合状况Fig.5 Component distribution of diffusion and surrounding sea area（0.4 m/s,90 s）

4 结论

（1）本文采用数值模拟的方法，计算了不同流速工况下扩散器内污水对海水的清除过程。从物性上来看，两者的粘度处于相同数量级，且为小密度流体顶替大密度流体，参考多相流理论，驱替的效果将会是污水相尖端指进，同时悬浮于海水相的上缘，实际的仿真计算中同样表现出该特征。

（2）在低流速工况下，入口速度大的清除效率更高。入口速度为0.1 m/s时，排污管内污水终止于第3个支管，当入口速度升至0.15 m/s时，排污管内污水终止于第二个支管。当污水通过喷口流到海域中时存在因密度差而产生的对流浮力项以及流体普遍的扩散项，两项对比可发现对流项呈主导地位，所有污水均集中在扩散器上部，排污管以下水体，基本不受影响。在高流速工况下，同样表现出入口速度大海水清除效率高的规律，当入口速度为0.3 m/s时，在100 s时刻完成了排污管内海水的全部驱替，当入口速度升至0.4 m/s时，在90 s时刻即完成了排污管内海水的驱替。此状态下污水在海水中的扩散与低流速工况下呈相同规律。

（3）海水入侵是污水排海工程的主要技术难题之一，对扩散器的危害较大［5］。目前对于扩散器的研究主要集中于其结构参数的研究，对后期运行过程中的问题关注力度不足。本文采用数值模拟的手段，对于扩散器在不同污水流速条件下的海水清除过程进行了研究，分析了在污水流速低于和高于临界清除流速条件下的海水清除规律，为解决实际工程问题提供了理论依据。但对于更大污水流速情况下的海水清除过程还有待进一步研究，结合已有的研究成果，可得出较为准确的扩散器海水清除机制，具有较大的研究意义。

［1］于航，白景峰，王心海.大水深条件下污水排放工程扩散器稀释扩散效果研究［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］陈丽星，姚朝晖.Renolds应力模型在热分层流场的应用及优化［J］.清华大学学报：自然科学版，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］吴玮.污水海洋扩散器海水入侵及清除特性研究［D］.南京：河海大学，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

中央级公益性科研院所基本科研业务费（TKS150209，TKS140212）

于航（1980-），男，天津市人，副研究员，主要从事海洋环境科学与污水深海排放工程设计研究。

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