何 盼，張 峰，崔建國，程亞峰

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省市政工程研究生教育創(chuàng)新中心，太原 030024；3.太原普可佳工程設(shè)計有限公司，太原 030024)

近年來，管網(wǎng)二次加氯技術(shù)已經(jīng)開始逐漸成為中、大型城市供水管網(wǎng)設(shè)計及實施時可供選擇的消毒方案[1,2]。在對管網(wǎng)間加藥點位置和數(shù)量確定、各點投加量優(yōu)化、二次加氯的運行控制等方面都取得了一定成果后[3,4]，國內(nèi)外技術(shù)人員也開始對二次加氯后藥劑與水的混合特性以及水質(zhì)變化規(guī)律表現(xiàn)出濃厚的興趣[5]。

目前國內(nèi)現(xiàn)已實施的二次加氯管網(wǎng)系統(tǒng)中，基本采用不設(shè)混合部件的自由擴散形式，造成藥劑分布均勻性和穩(wěn)定性相對較差，影響了消毒效率和水質(zhì)?？紤]到在網(wǎng)間加氯點后采用傳統(tǒng)的在過流斷面中央設(shè)置固定混合元件，會造成阻流面積較大，帶來較大的水頭損失，給水廠增壓系統(tǒng)帶來較大的改造工程量。因此，有必要研究開發(fā)用于管網(wǎng)二次加氯后快速、低損的混合裝置。

圓管螺旋流是同時具有軸向、切向及徑向速度分量的三維流動[6]。在水利領(lǐng)域，利用螺旋流低耗輸送固粒的作用已有較為廣泛的應(yīng)用[7,8]。在市政工程領(lǐng)域，在管網(wǎng)中安裝管內(nèi)壁上帶有扭曲導(dǎo)流葉的混合管件，利用螺旋流產(chǎn)生紊流擴散從而促進藥劑混合，無論從設(shè)計、安裝和管理的角度，都可方便地提高多點加氯的混合效果。在混合管件的設(shè)計選型過程中，由于管件內(nèi)部流場較為復(fù)雜，理論求解較為困難。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計算來分析混合器內(nèi)部流場和混合性能已得到廣泛的認(rèn)可。A Paglianti等[9]利用CFD技術(shù)對波紋板型混合器內(nèi)部的混合元件的排列方式進行了優(yōu)化，降低了混合器的壓降損失，并通過實驗進行了驗證，2者有較好的吻合。偶國富等[10]建立了水、油、氣三相流葉片式靜態(tài)混合器物理模型，采用Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型進行了CFD計算，分析了葉片式混合器內(nèi)的多相流流動特性，模擬得出的進出口壓降與實驗相吻合，驗證了計算結(jié)果的可靠性。

本文在螺旋流特性的研究基礎(chǔ)上，建立了混合管件的物理模型，針對混合管件內(nèi)葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對其內(nèi)部多相流動特性進行了數(shù)值分析，獲得了速度、壓力和次相分率等流體動力學(xué)參數(shù)，探究了混合管件的混合機理，并利用橫斷面上的不均勻系數(shù)COV對混合器混合效果進行表征。研究結(jié)果為快速、低損混合管件優(yōu)化制造提供參考。

1 混合裝置計算模型

1.1 物理模型

混合裝置結(jié)構(gòu)見圖1，包括帶有扭曲導(dǎo)流葉的混合管件及管件前段設(shè)有加藥管的輸水管。計算過程中，取DN=100 mm的混合管件研究其對藥劑的混合效果及影響因素?；旌瞎芗臉?gòu)造見圖1，管件內(nèi)部壁面等弧長安裝若干個導(dǎo)流葉，導(dǎo)流葉安裝時長邊與管壁固定相連，短邊嚴(yán)格垂直于固定點處的管壁切線，即短邊是沿徑向指向管道軸線。導(dǎo)流葉是把長方形板條前端固定，在板條尾端施加作用力扭轉(zhuǎn)一定角度而成，避免了水流在進入混合管件時與導(dǎo)流葉之間形成夾角，造成能量損失。在計算過程中，定義導(dǎo)流葉短邊的長度為導(dǎo)流葉的高度，導(dǎo)流葉前端與尾端的夾角為導(dǎo)流葉的包角。

1-水流入口；2-藥劑入口；3-混合管件；4-導(dǎo)流葉；5-法蘭片；h-導(dǎo)流葉高度；L-混合管件周長；α--導(dǎo)流葉包角圖1 混合裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of mixing device

1.2 基本控制方程

Mixture模型可用于2相流或多相流的問題，該模型適用于強烈耦合且各相具有不同速度的多相流[11]。本文利用Mixture模型求解混合相的連續(xù)性方程、動量方程、次相體積分?jǐn)?shù)來實現(xiàn)主相和次相的數(shù)值模擬，其中主相為水，密度和動力黏度分別為998.2 kg/m3和0.001 003 kg/(m·s)；次相為 NaCLO溶液，密度和動力黏度分別為1 100 kg/m3和0.001 316 kg/(m·s)。模型的控制方程如下[12]。

(1)連續(xù)性方程：

(3)

(2)動量方程：

(4)

式中：F是體積力；g為重力加速度；μm是混合黏性。

(3)次相體積分?jǐn)?shù)方程：

(αpρp)+▽·(αpρpvm)=-▽·(αpρpvdr,p)

(5)

1.3 計算模型及邊界條件

利用ICEM CFD對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，混合管件和加藥段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為消除網(wǎng)格數(shù)對模擬效果的影響，將幾種不同的網(wǎng)格尺度進行對比，最終確定網(wǎng)格數(shù)約為230 萬個。湍流模型采用Realizablek-ε模型。選用Fluent求解器，其主要參數(shù)設(shè)置為：動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式進行離散，體積相分率采用一階迎風(fēng)格式進行離散。計算域的入口均采用速度進口，出口采用自由出口(Outflow)。湍流特征以湍流強度和水力直徑的形式輸入，采用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合計算，壁面按固定無滑移條件處理。

2 計算結(jié)果分析

2.1 混合機理分析

當(dāng)流體在流經(jīng)混合管件時，導(dǎo)流葉對流體產(chǎn)生了阻力使混合管件入口處管壁附近的壓力升高，使靠近管壁處的流體向管中心處擠壓，使得管軸處流體的軸向流速加快，同時由于導(dǎo)流葉迎水面承受的壓力大于導(dǎo)流葉背水面所承受的壓力，壓力差使管道內(nèi)的流體產(chǎn)生扭曲。流體在這2種力的共同作用下產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運動，由先前的平直流態(tài)轉(zhuǎn)變成了同時具有軸向、周向和徑向速度的流態(tài)，使得流體的速度梯度指向不同，增加了整個流場流動無序性，增大了高濃度和低濃度流體之間的接觸面積，引發(fā)了管道內(nèi)2種流體的紊動擴散，從而加快了藥劑的混合速度。

對混合管件出口截面速度分布分析可知(見圖2)，由于導(dǎo)流葉片的迎水面與背水面的壓力差，促使流體從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，與導(dǎo)流葉碰撞后改變了速度方向，形成回流。此外在導(dǎo)流葉片靠近管軸心位置處，導(dǎo)流葉片對流體的作用力使流體產(chǎn)生漩渦流動(見圖2中橢圓區(qū)域)，促進了管道中心處與管壁處流體的對流，提高了徑向流動的混合效果。

圖2 混合管件出口截面速度分布Fig.2 Velocity distribution of outlet section of mixed pipe

對流體在經(jīng)過混合管件后混合發(fā)展的全過程進行分析(見圖3)，在流體剛流出混合管件(Z=1 m)處，沒有完全混合的2種流體之間分層比較明顯，但此時流體已具有軸向、周向和徑向這3個方向的速度，使得流體以螺旋型向前繼續(xù)流動，2相之間的相互滲透和擾動持續(xù)進行，周向速度的生成，使流體受到離心力的作用，加強了流體的紊動性能，2相流體之間的體積分布也越來越均勻。隨著管壁的摩擦阻力使得流體的旋流運動分量沿程衰減，湍流強度也逐漸減弱，對次相分布的擾動作用也慢慢變?nèi)?，在Z=5 m處能達到充分發(fā)展的狀態(tài)。

圖3 管道橫截面上不同距離處的次相分率云圖Fig.3 Secondary phase fraction of the pipe cross-section

2.2 混合效果的分析

采用不均勻系數(shù)COV來衡量管道截面的分布混合效果，COV值越小表示混合效果也越好[13]。COV計算式如下：

(7)

(1)導(dǎo)流葉個數(shù)對混合效果的影響。固定導(dǎo)流葉包角及導(dǎo)流葉高度，分析不同導(dǎo)流葉個數(shù)條件下出口截面的COV發(fā)現(xiàn)(見圖4)，導(dǎo)流葉個數(shù)對水流的起旋運動的產(chǎn)生有著重要的影響。當(dāng)導(dǎo)流葉個數(shù)為2個時，混合管件出口處截面的 最低。這可能是因為導(dǎo)流葉個數(shù)過多會阻礙混合管件內(nèi)部藥劑的橫向擴散，導(dǎo)致局部區(qū)域濃度偏高。無論導(dǎo)流葉個數(shù)多少，隨著流動的充分發(fā)展，螺旋流動沿程衰竭，湍流強度降低，不均勻系數(shù)變化的趨勢都越來越平緩。但導(dǎo)流葉個數(shù)越多，混合管件后流體產(chǎn)生的旋流運動也越充分，提高了多相流隨后的混合效果，斷面COV下降得也越快。當(dāng)導(dǎo)流葉個數(shù)為3個時，在出口5 m處COV值即可達到0.118，有較好的混合效果。

圖4 導(dǎo)流葉個數(shù)對混合效果的影響Fig.4 Influence of guide vane number on mixing effect注：導(dǎo)流葉包角30°，導(dǎo)流葉高度為35 mm。

(2)導(dǎo)流葉包角對混合效果的影響。水流在經(jīng)過混合管件后由平直流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪鲬B(tài)，主要是因為管件內(nèi)導(dǎo)流葉按特定方式進行了扭曲的緣故。固定導(dǎo)葉個數(shù)及導(dǎo)葉高度，分析不同導(dǎo)流葉包角條件下出口截面的COV發(fā)現(xiàn)(見圖5)，包角在20°～30°時，增加包角的度數(shù)，可提高相同截面上的混合效果。當(dāng)包角度進一步增大時，相同截面上的混合基本穩(wěn)定，對扭曲度數(shù)的變化不再敏感。這是因為導(dǎo)流葉的包角越大，導(dǎo)流葉對流體的周向以及軸向的作用力也就越大，從而使流體獲得較大的旋轉(zhuǎn)角速度和離心力，加劇了流體的紊動，促進多相流的混合。當(dāng)葉片包角超過30°后，流體產(chǎn)生更大旋流強度的同時，相應(yīng)的軸向阻流面積也越來越大，附加動能損耗也將會增加。因此，當(dāng)導(dǎo)流葉包角超過30°后，繼續(xù)增加包角度并未進一步提升混合效果。因此，根據(jù)混合效果，30°可作為混合管件內(nèi)導(dǎo)流葉包角的較佳數(shù)值。

圖5 導(dǎo)流葉包角對混合效果的影響Fig.5 Influence of wrap angle of guide vane on mixing effect注：導(dǎo)流葉個數(shù)3個，導(dǎo)流葉高度為35 mm。

(3)導(dǎo)流葉高度對混合效果影響。當(dāng)固定導(dǎo)流葉個數(shù)和包角時，隨著導(dǎo)流葉高度的升高，同一斷面的混合效果也隨之提高(見圖6)。這是因為在管壁安裝帶有包角的導(dǎo)流葉片后，水流的旋流最開始是在邊壁處產(chǎn)生，由于水流黏滯性的作用逐漸向管軸中心處傳遞。當(dāng)導(dǎo)流葉高度較低時，螺旋流動僅發(fā)生在管壁附近，而管軸處依然是平直流動。當(dāng)導(dǎo)流葉片較高時，在管道內(nèi)切入主流較深，產(chǎn)生的旋流運動也較強，使管軸處的流體與管壁附近的流體對流加強，提高了多相流的混合效果。

圖6 導(dǎo)流葉高度對混合效果的影響Fig.6 Influence of guide vane height on mixing effect注：導(dǎo)流葉個數(shù)3個，導(dǎo)流葉包角為30°。

2.3 壓力損失的分析

對于用于管網(wǎng)二次加氯后的混合管件來說，壓力損失是其重要參數(shù)之一，其關(guān)系著混合裝置的經(jīng)濟效益與實際使用價值?；旌瞎芗斐傻乃鞯膲毫p失主要有2個原因：①管件內(nèi)導(dǎo)流葉對水流的阻力；②水流壓能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動能。對不同導(dǎo)流葉工況下的模型進行模擬計算得到混合管件進出口靜壓差見表1～表3，可看出混合管件對水流造成的壓力損失隨著導(dǎo)流葉個數(shù)、包角和高度的增大而增多，這主要由于隨著導(dǎo)流葉個數(shù)、包角與高度的增大，管內(nèi)的螺旋流動越充分，湍流強度增強，流體紊動加劇，導(dǎo)流葉在管件內(nèi)所占的軸向阻流面積變大，能耗增多，壓力損失增大。

表1 不同導(dǎo)流葉個數(shù)混合管件的壓力損失Tab.1 Pressure loss of mixing device with differentnumber of guide vane

注：導(dǎo)流葉包角30゜，導(dǎo)流葉高度為35 mm。

表2 不同導(dǎo)流葉包角混合管件的壓力損失Tab.2 Pressure loss of mixing device with differentwrap angle of guide vane

注：導(dǎo)流葉個數(shù)3個，導(dǎo)流葉高度為35 mm。

表3 不同導(dǎo)流葉高度混合管件的壓力損失Tab.3 Pressure loss of mixing device with differentheight of guide vane

注：導(dǎo)流葉個數(shù)3個，導(dǎo)流葉包角為30゜。

以仿真計算結(jié)果與行業(yè)同類產(chǎn)品比較發(fā)現(xiàn)，本研究所開發(fā)基于螺旋流混合特性的混合裝置混合水損相對較低。以目前使用較多的SK型混合器為例，當(dāng)流體為湍流狀態(tài)時，入口速度為0.5 m/s，6個混合單元的SK型混合器壓損達到約2 430 Pa[14]?？梢?，本研究所開發(fā)裝置在對混合水損要求更高的管網(wǎng)間應(yīng)用時，有著更強的適應(yīng)性。

3 結(jié) 論

利用Fluent軟件中的Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型，分析了所構(gòu)建的混合管件的混合效果及其影響因素，得出以下結(jié)論。

(1)流體在流過混合管件后能夠改變流體的流線，使流體從一維運動變?yōu)槿S運動，并且在混合管件內(nèi)形成漩渦，促進了流體的徑向擴散，增強了流體的紊動，提升了藥劑的混合效果。

(2)通過分析管道各個橫截面的不均勻系數(shù)COV值和壓損可知，導(dǎo)流葉個數(shù)為3個時，混合效果最佳，且壓力損失為157 Pa。導(dǎo)流葉包角為20°～30°，提高包角度能改善混合效果，當(dāng)包角度超過30°后，混合器的混合效果趨于穩(wěn)定。導(dǎo)流葉高度在0.2～0.35倍管徑時，導(dǎo)流葉高度越高，混合效果越好，但壓力損失也隨之增大。

(3)綜合混合管件對藥劑的混合原理和影響混合效果的因素，該類型混合裝置具有較好的混合效果和較低的水頭損失，以此為基礎(chǔ)所開發(fā)的混合裝置，在市政工程領(lǐng)域，特別是管網(wǎng)改造工程中，會有更好的適用性，為后續(xù)管網(wǎng)間藥劑的混合裝置的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

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