李 勇，吳婭明，朱 亮，倪利曉，譚秋群

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

隨著河道水污染日益嚴(yán)峻［1］，生態(tài)浮床技術(shù)被逐漸應(yīng)用于水體修復(fù)中。像河道中植物能夠改變河道水流形態(tài)進而導(dǎo)致水體中物質(zhì)的運動軌跡產(chǎn)生變化一樣［2-3］，生態(tài)浮床的組合布設(shè)也會改變河道局部的水流特征。朱紅鈞等［4］通過試驗發(fā)現(xiàn)河道中布設(shè)橢圓柱形生態(tài)種植圈后縱向流速較布設(shè)前波動明顯，相對紊動強度和雷諾應(yīng)力略有增加;Atal等［5］分別對雙圓柱、三圓柱串列和并列布置進行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示隨著雷諾數(shù)的增大，雙圓柱串列時圓柱間干涉效應(yīng)比并列時更敏感;Summer等［6］將2個等直徑的圓柱錯開布置，通過改變圓柱之間的距離和關(guān)聯(lián)角度，得出雙圓柱錯開布置的9種不同流態(tài);盛奇?zhèn)ィ?］用Fluent軟件模擬并列布置的雙方柱繞流問題時發(fā)現(xiàn)間距比對流場的影響比雷諾數(shù)大，且間距比存在臨界值。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者已對不同浮床形狀及布置間距的水力特性有一定的研究。目前對于生態(tài)浮床凈化機理的研究多從生態(tài)浮床系統(tǒng)中植物及填料對污染物的去除效果進行探討［8-11］，而從水動力學(xué)角度進行研究的報道較少，馬克星等［12］在論述現(xiàn)今生態(tài)浮床存在問題中指出了這一現(xiàn)象。

基于此，筆者在不考慮生態(tài)浮床填料及植物等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，通過大型水槽試驗和數(shù)值模擬，分析雙方柱浮床在3種不同布置形式下水流流速及相對紊動強度的分布情況，為河道生態(tài)浮床技術(shù)措施的合理實施提供理論和設(shè)計依據(jù)。

1 試驗方法

采用2個相同的正方形浮床(有機玻璃制成)進行不同布置形式下其對水流特征的影響研究。選取4種工況:無浮床布置(KB)、2個浮床平行于水流方向串列布置(CL)、垂直于水流方向并列布置(BL)和2個浮床與水流方向成45°錯開布置(CZ)。浮床布置形式見圖1，浮床邊長D=13.3 cm，2個浮床中心距L=3D=33.9 cm，淹沒深度h0=5 cm。模擬試驗在室外矩形水槽內(nèi)完成，水槽長31.7 m、寬1.2 m、高0.85 m，槽內(nèi)水體通過單向潛水泵循環(huán)使用。水槽兩側(cè)壁是水泥面，底部為光滑水泥抹面，水槽坡降為0.001。

在控制進流量不變的情況下，通過調(diào)節(jié)水槽尾部插板來控制水位，平均水深調(diào)至約20 cm。浮床幾何中心A布置在離水流入口12 m的斷面M處，確保上游來流穩(wěn)定。各點流速采用聲學(xué)多普勒測速儀ADV測得。為掌握浮床對水動力特性的影響范圍，設(shè)置6個監(jiān)測斷面B，C，M，E，F(xiàn)，G(圖1)。斷面上每隔10 cm布置1條垂線，共11條垂線;垂線上從水面下2.5 cm處水平面H開始布點，依次為水面下 0.5 h0，1.0 h0，1.6 h0，2.4 h0和 3.2 h0。

圖1 浮床布置形式及監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of arrangements of floating beds and monitoring sections

2 數(shù)值模擬

2.1 模型控制方程

采用RNG k－ε模型，計算控制方程為連續(xù)性方程和動量方程:

連續(xù)性方程

動量方程

式中:ui——時均速度;xi——流體質(zhì)點的空間位置;t——時間;ρ——流體密度;p——流體壓力;μ——動力黏度;Si——廣義源項;μt——湍動黏度;k——湍動能;δij——Kronecker delta 符號(當(dāng) i=j時 δij=1，當(dāng) i≠j時δij=0)。

將RNG用于動量方程并引入湍動能k和湍動耗散率ε，所得方程如下:

其中 μeff=μ +μt，μt=ρCμ常數(shù)Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，ακ=αε=1.39，η0=4.377，β =0.012。

2.2 邊界條件

流動入流邊界流量為20.76 L/s;出口邊界處流動得到充分發(fā)展，選用自由出流邊界條件，則有=0φ=u，p，k，ε。固壁設(shè)為無滑移動邊界條件，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理。自由水面采用剛蓋假定，按對稱面處理即各變量在法向方向的值和切向方向的梯度都為零。

2.3 求解方法

采用直接求解三維不可壓黏性流體的RANS方程，微分方程的離散采用有限體積法，速度與壓力的耦合求解采用SIMPLEC算法，壓力項采用二階離散格式，動量、湍動能及耗散率的離散均采用二階迎風(fēng)格式。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型率定

選取3種布置形式各斷面水面下0.5 h0，1.6 h0和3.2 h0中垂線處實測流速與模擬值進行比較。如圖2所示，實測值與模擬值誤差保持在1%之內(nèi)，說明數(shù)值模擬可以較好地模擬出浮床影響下的水動力特性。

圖2 3種布置形式實測與模擬的流速對比Fig.2 Comparison of observed and simulated velocities with three types of arrangements

表1為4種工況下各斷面平均流速分布?？傮w上，浮床3種布置形式對下游斷面流速的影響比上游大。在M斷面，BL時平均流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CL和CZ的平均流速，主要由于BL時該斷面橫截面收縮，導(dǎo)致斷面平均流速明顯增大。

表1 斷面平均流速分布Table 1 Distribution of average velocities at cross-sections cm/s

3.2 水平面H處流場分布及浮床影響范圍

圖3為雙浮床3種不同布置形式在水平面H處的流速分布?？傮w上，水流在浮床前方受到阻礙，一部分直接流向浮床，在抵達時流速逐漸減小;另一部分繞浮床流過，隨后邊界層出現(xiàn)流體分離。在浮床后方由于負(fù)壓的作用形成卡門渦街，并延伸至后方一定距離。(a)CL時，雙浮床后都發(fā)生渦的分離，正后方均形成低速區(qū);文獻［13］指出兩串列方柱的臨界間距L/D=4.05，當(dāng)間距小于臨界值時前柱的渦街被抑制，兩柱之間為速度很小的死水區(qū)域。本文的結(jié)果與其相符。(b)BL時，雙浮床形成反相同步的漩渦，浮床間縫隙流不偏向任何一側(cè)。饒勇等［14］在研究BL雙方柱不同間距比流場特性時，同樣得出當(dāng)L/D＞1.5時流場開始轉(zhuǎn)為對稱流從而形成對稱漩渦的結(jié)論。(c)CZ時，前浮床流動分離受到后浮床的抑制，導(dǎo)致前浮床的尾跡窄于后浮床，模擬結(jié)果與胡衛(wèi)華［15］雙圓柱CZ布置時的流場分布相似。

3種布置形式下，在H水平面上以與KB流場相比流速相差1%作為浮床影響范圍的標(biāo)準(zhǔn)。CL、BL和CZ影響面積分別達到6.16 m2、5.66 m2和7.75 m2。在此影響范圍內(nèi)，CL、BL和CZ工況下H平面上的平均流速分別為8.97 cm/s、8.87 cm/s和8.74 cm/s，比KB時分別小1.12%、2.56%和4.24%。由此可見，CZ對水平面H的影響范圍和平均流速較其他2種布置形式影響更大。

圖3 浮床3種不同布置形式在水平面H處的流速分布云圖(單位:m/s)Fig.3 Velocity distribution on horizontal plane H with three types of arrangements of floating beds(units:m/s)

3.3 浮床下游流速分布特征

圖4為浮床3種布置形式在水平面H處下游E線、F線和G線上流速的變化特征。整體而言3種布局形式流速分布規(guī)律一致，CL、BL和CZ對下游的影響距離分別為4.7 m、4.43 m和6.08 m。CL時，E線、F線和G線處的平均流速比KB時分別小13.27%、7.78%和5.95%;BL時，E線、F線和G線的平均流速比KB時分別小13.59%、9.72%和7.46%;CZ時，E線、F線和G線處的平均流速比 KB時分別小16.94%、11.56%和10.59%。

E線、F線和G線上的流速除靠近壁面外，最小值即拐點均出現(xiàn)在浮床后方，主要受到浮床的阻擋作用。CL時，由于受到前后浮床的雙重作用，使下游流速最小值在3種布置形式中最小，E線、F線和G線上流速拐點值分別為0.8cm/s、2.13cm/s和4.77cm/s，與KB相比分別小92.01%、78.82%和52.52%;BL時，出現(xiàn)2個等值對稱的拐點值，E線、F線和G線上流速拐點值分別為3.76 cm/s、5.24 cm/s和6.29 cm/s，與KB相比分別小62.35%、47.57%和37.14%;CZ時，同樣出現(xiàn)2個拐點，因布置不同，下游橫向線更靠近右側(cè)浮床，導(dǎo)致2個拐點值不一致，E線、F線和G線上左側(cè)拐點流速值分別為5.4 cm/s、6.01cm/s和6.58 cm/s，與KB相比分別小46.16%、40.01%和34.32%，而E線、F線和G線上右側(cè)拐點流速值分別為1.03 cm/s、2.6 cm/s和4.97 cm/s，與KB相比分別小89.72%、74.01%和50.4%。王遠(yuǎn)成等［16］在研究單方柱繞流時得出過方柱中心橫向方向時均流速對稱的結(jié)論，本文僅從單個浮床來看也具有此特征。楊紀(jì)偉等［17］利用FLUENT分別對雙柱中心連線與流向夾角分別為90°、45°和0°(類似本文中的BL、CZ和CL)的流速分布進行模擬，給出了3種情況前柱中心線、后柱中心線和計算區(qū)域中心線速度分布圖。將本文中拐點值位置及在浮床下游的變化趨勢與之進行對比，結(jié)果一致。

圖4 E線、F線和G線處的流速分布Fig.4 Velocity distributions of lines E，F(xiàn)，and G

3.4 相對紊動強度分布特征

水流的相對紊動強度等于紊動強度與相應(yīng)斷面時均流速之比，即T=/×100%。CL、BL和CZ在水平面H處影響范圍內(nèi)的相對紊動強度分別為11.52%、11.59%和9.48%，與KB相比分別大30.3%、31.1%和7.2%;同一水深，影響范圍越大，相對紊動強度越小。

圖5為雙浮床3種布置形式在水平面H處下游E線、F線和G線處相對紊動強度的變化特征。KB時，E線、F線和G線處相對紊動強度平均值分別為9.03%、9.04%和9.06%;CL時，E線、F線和G線處相對紊動強度平均值分別比KB時大65.67%、54.2%和45.92%;BL時，E線、F線和G線處相對紊動強度平均值分別比KB時大91.03%、71.68%和57.06%;CZ時，E線、F線和G線處相對紊動強度平均值分別比KB時大76.08%、50%和42.16%。

由此可見，BL對水平面H和下游的平均相對紊動強度較其他2種布置形式大。由于水體中污染物紊動擴散參數(shù)和相對紊動強度呈一定正比例關(guān)系［18－19］，因此，在一定范圍內(nèi)BL將更有利于污染物擴散。

圖5 E線、F線和G線處的相對紊動強度分布Fig.5 Relative turbulence intensity distributions of lines E，F(xiàn)，and G

4 結(jié) 論

a.除雙浮床并列布置外，有無浮床對各斷面平均流速影響不大;相對而言，浮床對下游的影響比上游大。

b.3種浮床布置形式在水平面H處及下游的流速分布與無浮床布置情況的流速分布比較，表明:雙浮床錯開布置對水平面H平均流速、影響范圍及下游平均流速影響最大;雙浮床并列布置對水平面H影響范圍最小;雙浮床串列布置對水平面H處及下游的平均流速影響最小。

c.雙浮床3種布置形式在水平面H處及下游對平均相對紊動強度影響最大的是并列布置情況，而串列布置與錯開布置情況在下游平均相對紊動強度數(shù)值相差不大。3種布置形式中，雙浮床并列布置更有利于一定范圍內(nèi)的污染物擴散。

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