基于环型射流抽吸原理的新型预掺混扩散器稀释特性初探

彭莘仔，赵懿珺，贺益英，谭水位，罗奇蔚

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

1 研究背景

1.1 污水或温排水排放口研究概况污水及电厂温排水排放对水生态环境的影响一直以来受到审评监管部门的高度关注，是决定工程规划实施的关键问题，甚至在环评中起到一票否决的作用。以温排水为例，一台百万千瓦的核电机组，会将流量50～65 m3/s、高于环境温度8～10℃的温排水源源不断地排入受纳水体［1］，如不采取控制措施，将会造成局部水域水质恶化、富营养化加重，进而损害水生态系统。排放口污染物浓度或水温往往超过环保标准限值。为将超标区域控制在较小范围，国内外相关法规标准提出设置“监管混合区”。例如我国台湾明确规定放流水直接排放于海洋时，放流口水温不得超过42℃，距排放口500 m处表面水温差不得超过4℃［2］。世界银行对申请贷款建设的热力发电厂，要求距排口100 m处温升不超过3℃［3］。美国联邦政府各个州制定了适合本州的温排水标准，如马塞诸塞州要求最大温升不得超过5℃，夏季最高温度不得超过28.33℃［4］。我国《近岸海域环境功能区管理办法》中也明确规定污水集中排放形成的混合区，不得影响邻近功能区的水质和鱼类回游通道。对于滨海核电厂，排口处平均温升夏季不宜超过10℃、冬季不宜超过16℃；冬、夏季4℃温升包络范围不得超出温排水混合区范围。目前已有的温水排放标准指出了混合区应关注的3个方面：排水口温度限值、温升限值以及混合区边缘与排口的距离。

污水或温排水在排放口近区主要表现为射流形态，射流的初始稀释度决定了混合区的范围及边缘温升，排放器型式是影响射流初始稀释效果的重要因素［5-6］。为提高初始稀释度、减小所形成的混合区各参数，国内外学者开展了大量扩散器研究。从扩散器长度、喷口间距、喷口形状、喷口高度与角度等方面进行优化。研究手段主要采用量纲分析、模型试验、数值模拟［7-9］等方法。这类常规的扩散器研究的出发点是：排放口浓度或温度已经固定，系通过优化扩散器结构型式增大稀释度。1960年代，国外学者曾提出“预掺混扩散器”的概念，即在污水自扩散器出流前就掺入环境水体，意在加入一个预稀释过程直接降低排口出流浓度。预掺混扩散器会在一定程度上造成水头损失加大、工程投资增加、运行成本提高，虽然其概念早已提出，但相关的系统深入研究并不多见。

近年来，环境保护力度越来越大，在排放口论证过程中要求混合区必须采取措施尽可能满足规范要求，实现污、热水排放达标。对于排放浓度或温度比较高、排放量又比较大的情况，如果仍然采用常规扩散器型式，可能较难达到环保要求。为此，开展预掺混扩散器的研究有着重要的意义。

1.2 预掺混扩散器研究进展利用文丘里原理实现环境流体与射流的预掺混是预掺混扩散器设计中较为简便、常用的一种方法。文丘里原理在石油化工、鱼类养殖以及农业灌溉等领域有着非常广泛的应用，如射流泵、鱼塘增氧机和文丘里施肥器等。目前国内尚未见到应用该原理进行污水处理的预掺混扩散器的相关研究，国外学者主要从稀释效果和经济成本两个方面考虑，对预掺混装置构造进行过探求，取得某些成果，主要结构形式有3种：管壁开孔式、套管式及终端式预掺混扩散器。

管壁开孔式预掺混扩散器［10］，如图1所示，在放流管路形成收缩，使收缩部位速度增大、压强降低，造成管道内外压差，促使环境水通过管壁开孔卷吸进入射流管路，实现排放前的预掺混。Nece的试验结果指出污水排口浓度可减小50%，但没有针对污水自排口射出上浮至表面的后续稀释效果展开进一步研究。Sharp［11］分析认为管壁开孔式预掺混扩散器增强稀释倍数小于2.0，并利用Cederwall和Liseth的稀释度公式计算得出预掺混扩散器增强稀释倍数IF与其内部稀释度n和排口管径增大倍数p之比呈幂指数关系，为预测预掺混扩散器稀释效果提供依据。

套管式预掺混扩散器［12］，在管径较细的污水排放管末端再套一个大直径的混合管，轴向通入的污水从喷嘴高速射出时，环境水从两管间隙被吸入，对污水进行掺混和稀释，形成排放前的预掺混，装置如图2所示。文献［13］记载了澳大利亚昆士兰东南部的一个小型污水处理工程中曾使用了这种形式的预掺混扩散器。Argaman等［14］指出混合管内部污水稀释度n与喷嘴直径d1和混合管直径d2之比线性相关，对套管式预掺混扩散器设计具有指导意义。Portillo等［15］在MaspalomasⅡ海水淡化工程中将套管式预掺混扩散器与传统扩散器稀释效果相比，混合区内平均稀释度提高43%。然而污水喷口需要非常高的速度（≥11 m/s）来产生足够的抽吸力，造成了较大的动力需求和水头损失。

图1 管壁开孔式预掺混扩散器

图2 套管式预掺混扩散器

图3 终端式预掺混扩散器剖面

Agg［16］直接在排口末端加装终端式预掺混扩散器，如图3所示，该装置主要由污水管、吸水管（孔）和混合腔组成，污水射入腔体产生的低压使得环境水被吸入，这避免直接在放流管道上开孔，也便于在已有工程上直接安装。Agg等的试验结果表明：终端式预掺混扩散器适用于浅水条件，其稀释效果可达一般扩散器的两倍，但随着水深的增加，稀释效果有所减弱。针对终端式预掺混扩散器，Osorio指出了实际使用过程中存在的污水流量变化和泥沙淤堵等问题同样值得关注［17］。

初始稀释度与射流流态也密切相关。若能够采取措施在扩散器射流出口后较短距离内增强紊动，加大卷吸面积，则可显著提高掺混稀释效果。

Hansen［18］将射流污水进行劈分，发现污水分成两部分的时候能够将整体的稀释度增大一倍。Sharp等［19］利用了浮力与Coanda效应的影响，在壁面形成较大涡旋，改善稀释效果。Noutsopoules［20］在射流出口距离H处放置一直径为D的同轴心圆盘，通过合理放置圆盘能够增强其后初始稀释度。他们的研究启示人们：强化扩散器射流与环境水体的接触面积，对射流核心区卷吸环境水体的作用不可小嘘。

国外学者对预掺混扩散器增强排口初始稀释度问题进行了长时间的探索，但仍然面临着稀释效果有待提高、水头损失较大、适用范围受限等问题。为此，本文进一步探索新型预掺混扩散器，紧密关注内部掺混效果及排口混合后的强化卷吸措施，提高预掺混扩散器的工程实用性。

2 新型预掺混扩散器工作原理与基本构造

本文提出基于环形旋转射流的新型预掺混扩散器，针对径向进流与切向进流两种进流方式，采用模型试验与三维数值模拟方法对比研究了掺混稀释效果。区别于传统意义“初始稀释”的概念，本文所指的初始稀释包括了扩散器内部的预稀释和排口后的卷吸掺混稀释两个方面。

2.1 工作原理利用污水（温排水）原有的排放压力，在扩散器中形成空心的环形旋转（或非旋转）射流，其空心部位出现的负压，可自吸水口抽吸大量环境水体进入扩散器中，并在其喉部与污水（温排水）预先强烈掺混稀释，大幅度地降低污水浓度（排水温度）后，自扩散器扩压管口排出，排出水量近乎成倍增长；又因排水流量（流速）的增加，特别是射流的旋转态，使排放口近区出现较无预掺混扩散器出口射流对环境水体更为强烈的卷吸掺混。

2.2 基本构造预掺混扩散器试验模型剖面如图4（a），主要结构参数有：环境水吸水管入口直径d1=76 mm、污水进水管直径d2=18 mm、扩散器扩压管出口d3=86 mm。根据工作流体进入的方式，提出切向进水和径向进水两种形式的预掺混扩散器，如图4（b）（c）。

3 新型预掺混扩散器稀释特性研究

3.1 模型试验流量放大倍比α是反映掺混稀释效果的重要参数。假定污水排放流量为q，与环境水掺混后的总流量为Q。则流量放大倍比α：

从原理分析，采用切向进水方式的预掺混扩散器，污水进流方向造成的旋转流动使其与环境水产生接触面积更大，其稀释效果应优于径向进水方式。采用模型试验方法对比研究了静水条件下两种预掺混扩散器的流量放大倍比。模型布置如图5，试验水槽被有机玻璃隔为左、右两个水室。扩散器喉管部位固定于隔板上，两水室仅由扩散器连通。试验过程中控制左、右水室水面高度一致，避免因两侧水位差导致的过扩散器流量。污水流量由电磁流量计测得；污水与吸入的环境水流混合后的流量由三角堰测得。

3.2 数值模拟本文采用雷诺平均的N-S方程模拟射流的水动力过程。污水径向入流时，选择标准k-e湍流模型；切向入流时，选择对旋转流动有更好描述的RNG k-e模型。为保证计算的可靠性，研究采用成熟通用的Fluent软件。模拟区域包括预掺混扩散器及其周围大约2.5 m3环境水体。采用ICEM建立扩散器模型并进行网格划分，扩散器部分采用非结构网格，其余部分采用结构网格，网格总数约170万，最小网格尺寸3 mm。

计算中，动量、湍动能、湍动耗散率和能量均采用二阶迎风离散格式；流速压力速度耦合采用稳定性较好的SIMPLE算法；固壁采用标准壁面函数处理。污水入口边界及环境流进流入口边界均设置为速度进口；出流边界为自由出流。

3.3 掺混稀释效果分析

3.3.1 两种进流方式的放大倍率比 静水条件下，针对径向进流与切向进流两种预掺混扩散器，改变污水进流流量q，通过模型试验和数值计算得出相应的扩散器出口经环境水体掺混后的总流量Q据此求得流量放大倍比α。

图6给出数值计算与模型试验的对比，可以看出除切向流入的小流量工况两者有一定差异，其它工况两者吻合较好。从掺混效果来看，两种进流方式均可以有效实现环境水体对射流的提前掺混，验证了基于环型射流抽吸原理的预掺混扩散器工作原理。随着污水进流流量增大，流量放大倍比趋于稳定。径向进流方式的流量放大倍比在1.5左右；切向进流方式的流量放大倍比在2.0～2.5之间，抽吸效果明显占优。

相同排口直径下，切向进流方式污水的旋转射流流态不仅倍增了扩散器的出水量，加剧了扩散器内污水与吸入环境水的预掺混，而且也有利于增强扩散器出口射流的卷吸掺混，降低排放污水与环境水体的密度差，进而加大污水初始稀释度，实现传统扩散器以增大放流管道口径和立排分管数量才能达到的稀释效果。

图4 预掺混扩散器结构

图5 模型试验装置

3.3.2 两种进流方式的紊动掺混比较 为进一步比较有环境流条件下两种进流方式的掺混效果，采用数学模型模拟了含热废水（温排水）经由上述两种预掺混扩散器的稀释扩散。计算中，热水进口流速4 m/s，水温比环境水温高10 K，环境流速0.2 m/s，热水和环境水温度分别为310和300 K。

排口后温度分布直接反映热废水的稀释效果。数学模型计算得到的扩散器排口后20 cm处温度分布云图如图7所示。结果表明：径向进流时，该处断面最高温度305.2 K；切向进流时，断面最高温度302.9 K，热废水的断面温度分布均匀，温度极值较低，稀释效果更好。

湍动能是湍流混合能力的重要标志。对比分析两种进流方式的湍动能分布云图（图8），可以发现温排水在环形进水室中发生流向的大折转，此段流速、流向均有较大变动，紊动剧烈，湍动能在该部位数值较高。从喉管前端至扩散器出口段，流动则较为平顺。径向进流的湍动能数值较低，热水与吸入的环境水掺混程度不高；切向进流沿程湍动能数值较高。究其原因，主要在于其旋转特性导致环境水与旋转流间发生了比之同向流猛烈得多的掺混，产生强烈的能量和动量交换，因而紊动度增大，高温水稀释效果明显优于径向进水。

图6 流量放大倍比

图7 温度分布云图

图8 湍动能分布云图

污水切向进流条件下，以具有轴向、径向和切向速度的旋转射流形式排出。相对于普通的圆射流，旋转射流不仅具有射程短、卷吸掺混能力强等特点［21］；并且由于其强烈的紊动，大量卷吸着周围的环境流体，将其自身动量和热量传递出去，因而其稀释能力和周向扩散能力均较强［22］。

综上分析，切向进流的预掺混扩散器与以往预掺混扩散器相比具有明显的优势：不仅以最高2.5左右的流量放大倍率实现了排放前的预掺混，并且以旋转射流的形式使得排口后的射流卷吸得到强化。

基于环型射流抽吸原理的预掺混扩散器改变了顺直管道中污水流动结构。切向进流时，将一维管流转变为三维旋转流动，其内部既存在壁面附近的外旋流又存在中心的内旋流；径向进流时，形成同轴同向的组合流动。该类型预掺混扩散器的水流结构显然有利于促进初始掺混稀释，其中切向进流方式更优。对于预掺混扩散器而言，除了关注初始稀释效果外，局部阻力损失也是影响其实用性的重要因素。局部阻力损失与水流结构密切相关。与顺直管道相比，水流在预掺混扩散器内旋转、扭曲、碰撞，产生大大小小的涡流区消耗了主流能量，局部阻力损失必然增大。预掺混扩散器的三维涡流结构非常复杂，仅采用雷诺平均的数学模型在模拟局部阻力损失方面还具有一定的局限性，因此本项工作后期将采用试验与模拟手段进一步探索局部阻力损失及其局部阻力系数，为进一步论证上述两种预掺混扩散器的工程可行性提供科学依据。

4 结论

通过调研分析近几十年来国外预掺混扩散器结构和射流领域的研究成果，发现已有预掺混扩散器主要面临水头损失较大、稀释效果不理想、适用范围受限等问题。本文基于环型射流抽吸原理提出了一种新型的预掺混扩散器，并采用试验与三维数值模拟相结合的方法研究了径向进流与切向进流两种进流方式的初始稀释特性，结果表明：（1）基于环型射流抽吸原理的预掺混扩散器可以有效实现环境水体对射流的提前掺混。两种进流方式相比，采用切向进流的预掺混扩散器具有三维旋转射流结构，不仅在扩散器内掺混稀释效果更优，而且加大了对环境水体的抽吸倍率，使得出口后射流对环境水体的卷吸能力也有较大提升。（2）静水条件下，随着污水进流流量增大，流量放大倍比趋于稳定。径向进流方式的流量放大倍比在1.5左右。切向进流方式的流量放大倍比在2.0～2.5之间，明显大于径向进流方式，同时其预掺混效果也明显优于前人提出的预掺混扩散器。（3）两种进流方式均在环型进水室出现湍动能的峰值，但切向进流方式沿程均可保持较高的湍动能，并且其排口断面温度分布也更加均化。