南水北调中线干渠浮油拦截装置设计研究

王 文，苏来华，上官林建，高 丹，刘易博，尚 岩，于 磊

（1.华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045；2.黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450029）

南水北调中线干渠地跨河南、河北、北京、天津4个省、直辖市，全长1 432 km，跨渠公路100多条，除北京段为管涵输水外，其他段均为明渠。输水过程中可能存在跨渠公路突发交通事故（油类运输车泄漏）或节制闸机房中机电设备油液泄漏等，将影响沿线城市用水安全，甚至短时间内造成大量生命和财产损失［1-2］，因此有必要建立应对此类突发油污染事件的应急预案。南水北调中线干渠浮油污染大多数为成品油，如煤油和柴油，在南水北调中线干渠不停水输送、不影响沿线计划供水的前提下，提出采用拦截装置将污染团围控起来进行集中处置的措施［3-6］。

1 浮油类污染物拦截原理

南水北调中线干渠输水水质标准为饮用水，即要求水质达到地表水Ⅱ类水标准，处理浮油类污染物时，以不造成二次污染为目标。总干渠输水由节制闸控制，突发浮油类污染事故后，污染物随干渠水流顺势而下。以输水干渠两岸为固定点，斜跨渠（倾斜45°）在河面布设围挡装置，对上游污染物进行拦截和汇聚，并利用油污抽吸设备将拦截的污染物抽吸排出，见图1［7-8］。

图1 污染物拦截示意

2 拦截装置结构

南水北调中线干渠渠道宽，具有水流单向性、两岸不可随便通行、边坡不可随意破坏、水中不可下油船等特点。针对突发浮油污染事故，拦油装置的承载需要借助串联式平台［7］。拦油装置串联式平台为多节串联型，每节长3 m、厚5 mm，节与节之间利用PVC板实现软连接，以增强拦油装置因上游水流冲击而产生变形的自补偿性，同时便于设备的运输与安装。如图2所示，拦油装置通过定位装置安装于串联式平台前端，工作人员通过定位装置中的手轮实现拦油装置吃水深度的快速调节，使其能够应对不同水位和风浪工况。

图2 拦油装置和串联式平台安装

拦油装置的形状对围挡浮油的效果影响较大，共设计了5种不同形状的拦油装置，见图3。干渠流场属于湍流流场，受风速和水流影响，不同形状拦油装置对流场的影响不同，即拦截效果不同，因此采用ANSYS Workbench中的FLUENT模块对拦油装置布设前后流场进行数值模拟分析，确定对干渠流场影响最小的拦油装置。干渠渠道长度和宽度较大，渠岸对流场影响较小，为了节省计算资源和提高计算效率，将渠道以1∶25的比例缩小，简化模型为长、上底、下底、高分别为5 000、1 280、380、180 mm的梯形体。

图3 拦油装置形状（单位：mm）

3 基于FLUENT模块的流场分析

3.1 湍流流场分析理论基础

干渠流场属于湍流流场，标准k-ε方程具有很好的鲁棒性、经济性，可以对大范围湍流进行合理预测，因此选择标准k-ε方程进行湍流流场分析。湍动能k与湍动耗散率ε需要满足输运方程：

式中：ρ为密度；t为时间；vi为i方向的速度分量；xi、xj为i、j方向的空间分量；μ为黏性系数；μt为涡黏性系数，μt=ρCμk2／ε，其中Cμ=0.09，σk、σε分别为k方程和ε方程的湍流Prandtl数；Gk为层流速度梯度产生的湍流动能；Yk为因在可压缩湍流中过渡扩散而产生的波动；Gb为浮力产生的湍流动能；cε1、cε2、cε3为经验常数，其中主流方向与重力方向平行时cε3=1，垂直时cε3=0。

由于水为不可压缩流体，因此不考虑用户自定义源项时，Gb=0、Yk=0、Sk=0、Sε=0，经验常数cε1=1.44、cε2=1.92、σk=1、σε=1.3。

3.2 FLUENT流场仿真分析模型的建立

浮油受拦油装置的拦截，沿着拦油装置倾斜方向流动汇聚在拦油装置与渠岸交汇处，利用FLUENT模块进行流场分析。网格选用四面体单元，共计625 077个单元。模型边界条件：渠道上游为流体入口，入口处水流速度v=3 m／s；下游为出口，出口处设为外流；渠底、渠岸及拦油装置和串联式平台为边界，串联式平台与渠岸角度均设置为45°，见图4。将离散后的模型导入FLUENT模块中，最大迭代次数设为500次，进行求解计算。

图4 模型边界条件

3.3 结果及分析

对不同形状拦油装置上下游流场进行后处理，得到拦油装置前后流场表面速度矢量及流线图，见图5（图中箭头表示水流方向，水流自上游流向下游）。从图5、表1可以看出，直槽形拦油装置流场流速最大，直角形拦油装置流场流速次之，圆槽形拦油装置流场流速最小；直角形、弧形、直槽形拦油装置最大流速发生位置相同，即导流口处，直槽形拦油装置流速较大区域为导流口下游，直角形、弧形拦油装置流速较大区域为串联式平台下游一定距离处。

图5 不同形状拦油装置流场表面速度矢量（单位：m／s）

表1 不同形状拦油装置流场特点

从图5拦油装置前后流场可以看出，5种形状拦油装置中，直槽形、勺形和圆槽形拦油装置上游流场流线稳定，直槽形、勺形拦油装置下游流场流线紊乱，圆槽形拦油装置下游流场流线轻微紊乱；直角形、弧形拦油装置上游流场流线紊乱，直角形拦油装置下游流场流线较紊乱，弧形拦油装置下游流场流线相对较稳定。对于流体表面薄层浮油的拦截，流场越稳定浮油拦截效果越好。圆槽形拦油装置前后流场相对稳定，同时拦油装置浮在水面上的挡板可以防风浪冲击，抵御表面浮油翻越障碍物（拦截装置）；圆槽形拦油装置，从加工工艺来看，折板机弯曲成形即可，因此选择圆槽形拦油装置进行拦污导流。

4 结 语

针对南水北调中线输水干渠输水工况，以串联式平台为支撑，设计了5种不同形状的拦油装置安装在平台上游一侧进行拦污导流。基于湍流流场k-ε方程，模拟浮油遇到不同形状拦油装置拦截时的流场特性，经模拟圆槽形拦油装置前后流场相对稳定，可抵御表面浮油翻越障碍物（拦截装置），因此选择圆槽形拦油装置进行拦污导流。目前该拦油装置以及串联式平台已在河南省郑州市十八里河段和北据马节制闸前进行了浮油污染应急处理演练，效果良好，拦油率达到90%，可以在南水北调中线干渠推广应用。