彭莘仔，賀益英，趙懿珺，羅奇蔚

（中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

1 研究背景

污水或溫排水常采用擴(kuò)散器以射流的形態(tài)排放到受納水體中，經(jīng)摻混而被稀釋。排放口附近污染物濃度或溫度往往超過環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)會(huì)造成一定損害［1-3］。為此，各國法規(guī)提出建立排污“監(jiān)管混合區(qū)”，對(duì)排放口極值、混合區(qū)范圍等進(jìn)行限制，以降低廢水排放對(duì)水環(huán)境的影響。例如《世界銀行關(guān)于污染預(yù)防和治理手冊(cè)》就提出高溫廢水排放到受納水體后，需要滿足“3 ℃溫升不超過排口周圍100 m”的限制要求。為增強(qiáng)初始稀釋度、減小混合區(qū)范圍，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)及其射流稀釋特性的研究。

常規(guī)擴(kuò)散器的研究歷經(jīng)幾十年，取得了豐碩的成果，已有的研究主要著眼于擴(kuò)散器的長度、噴口間距、噴口型式和噴射角度等幾何特征，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)來改善初始稀釋效果［4-6］。Daviero 和Roberts［7］針對(duì)“T”型兩孔擴(kuò)散器研究了立管間距對(duì)稀釋度的影響。Abessi 等［8］采用3DLIF 研究了玫瑰型擴(kuò)散器的稀釋度。除了研究擴(kuò)散器本身結(jié)構(gòu)外，還有學(xué)者通過增加擴(kuò)散器出口后射流的紊動(dòng)，來增強(qiáng)噴口附近的初始稀釋度。Sharp［9］利用了液體附壁流動(dòng)的Coanda 效應(yīng)改善稀釋效果。Noutsopoules 和Yannopoulos［10］、方神光［11］等通過合理放置圓盤阻礙浮射流來提高稀釋度。

20 世紀(jì)六七十年代國外學(xué)者提出了“預(yù)稀釋”的概念，即污水在排放前先摻入一定量周圍的水，直接降低排口出流濃度。Nece 等［12］提出在排污管道收縮處壁面開孔，利用管道內(nèi)外壓力差，將周圍的水自孔口卷吸進(jìn)排污管道內(nèi)，稀釋污水；Agg 和White［13］運(yùn)用文丘里原理提出了三組不同形狀的預(yù)摻混裝置。Argaman 等［14］將污水從噴嘴高速射入大直徑的混合管，形成真空，使得周圍的水從兩管間隙環(huán)面被吸入。這些研究從原理上證實(shí)了預(yù)摻混擴(kuò)散器的效能，隨后一些學(xué)者開始探索其在實(shí)際工程應(yīng)用上的可行性。Sharp［15］在加拿大紐芬蘭東部的一個(gè)小型污水排放工程上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并與Argaman 等［14］給出的預(yù)摻混擴(kuò)散器稀釋度公式進(jìn)行了比較。Portillo 等［16］在MaspalomasⅡ工程的鹽水排放中，采用文丘里預(yù)摻混擴(kuò)散器將平均稀釋度提高了43%。然而現(xiàn)有的預(yù)摻混擴(kuò)散器和常規(guī)擴(kuò)散器中污水或溫排水主要采用軸向進(jìn)流，且均以直射流的形式排出，并未從本質(zhì)上改變擴(kuò)散器射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，稀釋效果有待提高。

旋轉(zhuǎn)射流被廣泛地應(yīng)用于燃料噴注等工程領(lǐng)域，其擴(kuò)散霧化、增強(qiáng)摻混效應(yīng)顯著。然而，少有將旋轉(zhuǎn)射流原理運(yùn)用于污水排放的應(yīng)用實(shí)例［17］，并缺乏流動(dòng)特性及阻力分析等系統(tǒng)性研究，使其推廣應(yīng)用受限。

近年來，環(huán)保問題日益凸顯。對(duì)于環(huán)境條件不利、排放流量大、排放濃度高的情況，如果仍采用常規(guī)擴(kuò)散器，不得不延伸至更深水域排放。其放流管道過長、噴口較多，不僅工程投資巨大，而且水頭損失過大，會(huì)限制工程的可實(shí)現(xiàn)性。因此，開展新型預(yù)摻混擴(kuò)散器研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 新型預(yù)摻混擴(kuò)散器

2.1.1 基本構(gòu)造 如圖1（a），本文所提出的新型預(yù)摻混擴(kuò)散器主要由吸水管、環(huán)形水室、喉管和擴(kuò)壓管組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（b），環(huán)形水室剖面如圖1（c）。擴(kuò)壓管擴(kuò)散角θ=9°，環(huán)形水室收縮角為γ=11°，主要結(jié)構(gòu)長度如表1。工作流體指污水或溫排水等。

圖1 預(yù)摻混擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)示意

2.1.2 工作原理 利用工作流體的排放壓力，將其切向注入擴(kuò)散器環(huán)形水室，形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)的噴射流動(dòng)。因管徑收縮使得速度增加、壓強(qiáng)減小，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。周圍的水體自吸水管入口被抽吸進(jìn)擴(kuò)散器中，與工作流體預(yù)先強(qiáng)烈摻混；隨后從擴(kuò)散器擴(kuò)壓管以環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流的形式排至收納水體中，其排水流量等于工作流體本身流量與抽吸進(jìn)入擴(kuò)散器的水體流量之和。排水量的增大，提高了排水流速，再加之射流的旋轉(zhuǎn)流態(tài)，使得排放口近區(qū)出現(xiàn)較無預(yù)摻混擴(kuò)散器出口射流更為強(qiáng)烈的卷吸摻混，進(jìn)一步提高擴(kuò)散器射流的稀釋度。

表1 預(yù)摻混擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)參數(shù) （單位：mm）

與現(xiàn)有擴(kuò)散器相比，本預(yù)摻混擴(kuò)散器所形成的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)在其內(nèi)部造成比順直流動(dòng)更強(qiáng)的紊動(dòng)，增強(qiáng)了抽吸的受納水體與工作流體間的摻混。此外，吸水管的軸心設(shè)置使得旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的工作流體裹挾抽吸的受納水體，將排放形式由直射流改變?yōu)榄h(huán)形旋轉(zhuǎn)射流，具有組合射流分布形態(tài)以及周向運(yùn)動(dòng)特征。

2.2 水槽平面布置及試驗(yàn)參數(shù)平面布置如圖2，水槽長11 m，寬0.8 m，深0.8 m，中間有3 m 長的有機(jī)玻璃段用于觀察流態(tài)。在水槽水流進(jìn)口處設(shè)置整流段，斜拉式尾門前設(shè)置足夠長的過渡段。擴(kuò)散器水平固定在支架上，其中心軸線距槽底0.3 m。供水母管為水槽來流和工作流體供水，工作流體經(jīng)加熱箱后進(jìn)入擴(kuò)散器。試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)及工況范圍如表2，溫升ΔT 指加熱后的工作流體與水槽來流的溫度差。射流的坐標(biāo)原點(diǎn)定義在擴(kuò)散器排口斷面中心。

圖2 水槽平面布置示意

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2.3 測量儀器與方法（1）溫度測量：采用點(diǎn)溫計(jì)（JM6200）檢測加熱后的工作流體溫度以及擴(kuò)散器排口斷面的溫度分布，精度±0.05%，分辨率0.01 ℃，測點(diǎn)間距5 mm；采用多點(diǎn)測溫系統(tǒng)（DS18B20）測量排口后各噴距處的斷面溫度分布，精度0.1 ℃，每個(gè)溫度數(shù)據(jù)系約100個(gè)采數(shù)的均值，測點(diǎn)分布在30×30 網(wǎng)格上，間距為1 cm。（2）流速測量：采用三維電磁流速儀（ACM3-RS）測量流場，精度±2%，采樣頻率50 Hz，每個(gè)流速數(shù)據(jù)系約1000 個(gè)采數(shù)的均值。射流中心10 cm 范圍內(nèi)測點(diǎn)間距為1 cm，中心區(qū)以外間距為2 cm。（3）流量測量：由兩臺(tái)電磁流量計(jì)（OPTIFLUX2100C；MBmag）測量工作流體流量和水槽流量。擴(kuò)散器排放的總流量由排口斷面的軸向平均流速和排口斷面面積計(jì)算得出。（4）壓力測量：采用測壓管排測量擴(kuò)散器內(nèi)壓差，分辨率0.5 mm，精度1 mm。測壓斷面布置如圖3，其中3 號(hào)斷面設(shè)置在吸水管末端前4 cm 處，其余測壓斷面分別位于進(jìn)口、出口、轉(zhuǎn)角前后5 mm 或相應(yīng)管段中間位置。每個(gè)測壓斷面設(shè)置上下左右共4 個(gè)測壓孔，連通后接對(duì)應(yīng)測壓管。

圖3 測壓斷面分布示意

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 流量放大倍比流量放大倍比是表征擴(kuò)散器對(duì)污水預(yù)摻混稀釋能力的重要標(biāo)志參數(shù)，它影響排口處廢水濃度的極值以及混合區(qū)面積。設(shè)工作流體排放流量為Q0，擴(kuò)散器排放總量Qs，則排口處流量放大倍比α = Qs/Q0。

流量放大倍比以靜水條件下的試驗(yàn)結(jié)果來確定，并在水槽流速V=10 cm/s 下進(jìn)行了比測。如圖4，試驗(yàn)范圍內(nèi)工作流量Q0和水槽流速V 對(duì)流量放大倍比α影響不大，α值約為2.5，預(yù)稀釋性能穩(wěn)定。

圖4 流量放大倍比與工作流量的關(guān)系

3.2 溫度稀釋特性試驗(yàn)研究

3.2.1 斷面溫度極值分析 定義擴(kuò)散器射流橫斷面上的溫升最大值為該斷面的溫升極值ΔTm。如圖5，不同工況下排口近區(qū)同噴距處的稀釋度基本不變，本擴(kuò)散器射流的稀釋特性主要由其自身結(jié)構(gòu)所決定。溫升極值沿噴距呈冪函數(shù)衰減規(guī)律：擴(kuò)散器排放口處溫升極值較初始溫升值降低約50%；排口近區(qū)射流的卷吸摻混最為劇烈，溫度梯度沿程減小，在1.2D 射程處相對(duì)溫升極值降至約20%，5.8D 處降低至約13%。上述現(xiàn)象表明，擴(kuò)散器內(nèi)部預(yù)摻混過程中形成的先期紊動(dòng)摻混和擴(kuò)散器出口由于環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流誘導(dǎo)的強(qiáng)卷吸摻混，可迅速削減排放口及射流沿程溫度極值。

圖5 溫度極值沿噴距變化

鑒于不同工況下，同噴距的射流溫度極值相差甚小，可對(duì)同距離極值取平均，擬合均值曲線獲得相對(duì)溫升極值沿噴距的衰減規(guī)律：

3.2.2 射流橫斷面溫度分布 圖6給出Q0=3.6 m3/h，V=10 cm/s 條件下，排口處x/D=0 及其后x/D=1.2、3.5 和5.8 共4 個(gè)特征斷面溫度分布。

旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的高溫工作流體和中心抽吸的低溫水沿噴距呈現(xiàn)從組合射流向單股射流轉(zhuǎn)變的過程。在排口圓形斷面處，工作流體受離心力作用而緊貼管壁，水溫從圓心至壁面遞增。x/D=0～3.5 之間，隨著噴距的增加，環(huán)形高溫區(qū)溫度逐漸降低并向射流中心收縮，而中心區(qū)的最低溫度值先上升后降低。因射流周緣卷吸摻混溫度降低較快，中心區(qū)稀釋緩慢，在x/D=3.5 處形成了射流中心溫度較高，至射流邊界遞減的溫度分布形態(tài)。

圖6 橫斷面溫度分布（單位：℃）

區(qū)別于普通擴(kuò)散器和其他預(yù)摻混擴(kuò)散器的直射流，本裝置的環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流在排口后一段距離內(nèi)既可卷吸外邊界周圍的水，又能卷吸射流中部被抽吸的受納水體，增大了卷吸面積，形成了一段強(qiáng)化稀釋區(qū)。

3.3 流動(dòng)特性研究

3.3.1 流速分布及發(fā)展規(guī)律 由于旋轉(zhuǎn)射流徑向流速v 較小，本文不予考慮，射流速度主要由軸向速度u 和切向速度w 決定［18-19］。圖7給出了軸向速度u 和切向速度w 在z=0 平面上沿?zé)o因次噴距的分布，u0和w0表示排放口斷面處u 和w 的最大速度值。

圖7 軸向和切向速度分布

排口后一段距離內(nèi)，軸向速度u 在無因次半徑上的分布呈現(xiàn)“M”形。隨著噴距的增加，速度極值沿程遞減，中心低流速區(qū)最小速度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，流速分布趨于均化。

切向速度w 呈現(xiàn)中心對(duì)稱的“N”形分布。射流軸心處切向速度趨近于0，兩側(cè)存在大小相近、方向相反速度極值；不同斷面間的速度分布趨勢和發(fā)展規(guī)律存在相似性。

如圖8，環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流橫斷面最大軸向速度um和切向速度wm沿噴距均呈冪函數(shù)衰減規(guī)律，但切向速度衰減更快，表明切向速度對(duì)卷吸效應(yīng)作用更強(qiáng)。因此增強(qiáng)卷吸可通過增強(qiáng)切向速度來實(shí)現(xiàn)，即增加旋轉(zhuǎn)度有利于卷吸。擬合出擴(kuò)散器旋轉(zhuǎn)射流的最大速度與噴距關(guān)系的回歸曲線：

式中：vi0為擴(kuò)散器排口斷面上i 方向（i 為軸向或切向）的射流最大流速；vim為該排口后某噴距處橫斷面上i 方向上的最大流速；D 為擴(kuò)散器排口直徑；n 為無因次射程指數(shù)；a 為常系數(shù)。最大軸向和切向相對(duì)速度沿程衰減關(guān)系分別為：

圖8 橫斷面最大軸向和切向速度分布

圖9 橫斷面最大軸向速度對(duì)比（坐標(biāo)按對(duì)數(shù)尺度）

如圖9所示，由于直射流最大速度位于射流軸心，排放口后約6 倍排口直徑的射流起始段為速度核心區(qū)，最大軸向速度保持不變，在排放口后約30 排口直徑處方可衰減約80%［20-21］。而環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流排口處最大流速位于射流外緣，與受納水體有強(qiáng)烈的紊動(dòng)摻混，難以形成速度核，本擴(kuò)散器軸向速度極值在排放口后1.2D 處即可衰減約45%，x=12D 附近可衰減約80%。說明環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流可極大縮短射流的噴距，對(duì)要求污水排放后縮短污染帶的環(huán)保要求十分有利。

3.3.2 平均稀釋度 在排放口以后，射流卷吸周圍的水體，其總流量Qe沿程遞增，可由式（5）計(jì)算得出：

橫斷面軸向流速與水槽流速之差大于等于水槽流速的5%時(shí)，定義此處為射流的卷吸邊界。上式中A 為卷吸邊界所包絡(luò)的面積，為卷吸邊界內(nèi)的射流的平均速度。

圖10給出了射流沿噴距平均稀釋度Qe/Q0變化，根據(jù)流量放大倍比α，本擴(kuò)散器排口處平均稀釋度約為2.5，高于采用管壁開孔［12］和混合管［14］進(jìn)行預(yù)稀釋所獲得的相應(yīng)最高值約2.0；排口后環(huán)形旋射流的卷吸演化特征比文獻(xiàn)［22］中給出的直射流所對(duì)應(yīng)的能力強(qiáng)，原因在于：（1）環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流不僅具有直射流的軸向分速度，還存在較大的切向分速度，紊動(dòng)強(qiáng)度更高［23］。（2）當(dāng)環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流脫離擴(kuò)散器噴口射入受納水體后，由于失去了管壁的約束，旋轉(zhuǎn)射流受離心力作用，使其具有更大的周向擴(kuò)展，射流邊界卷吸面積增大，導(dǎo)致?lián)交炝考觿?。?）上文提及的環(huán)形旋射流中心部位有被抽吸的受納水體，因而還存在射流的內(nèi)摻混機(jī)制。

3.4 阻力損失試驗(yàn)研究

3.4.1 測壓管水頭分布 擴(kuò)散器工作前后，圖3中各斷面測壓管水柱高度發(fā)生變化為Δh。當(dāng)Δh＜0時(shí)，表示該處為負(fù)壓。

如圖11各斷面相對(duì)測壓管水柱高度分布，吸水管收縮段和水平段均處于負(fù)壓區(qū)，其真空度沿吸水管喇叭口收縮方向遞增，在水平段末端達(dá)最大值。工作流體入口處壓強(qiáng)最高，沿環(huán)形水室、喉管、擴(kuò)壓管依次遞減，至排放口處與外界水壓力相等。其中環(huán)形水室噴口處的壓降最為劇烈，說明在該處壓能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

圖10 沿噴距平均稀釋度對(duì)比

圖11 相對(duì)測壓管水頭分布

圖12 工作流量與水頭損失關(guān)系

圖13 水頭損失系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

3.4.2 擴(kuò)散器水頭損失 擴(kuò)散器內(nèi)的水流流動(dòng)形式類似于合流三通管，工作流體進(jìn)口至排放口為三通分支1，吸入管進(jìn)口至排放口為三通分支2。

如圖12所示，根據(jù)伯努利方程，分支1 中工作流體的水頭損失hw1隨工作流量Q0遞增，而分支2水頭損失數(shù)值遠(yuǎn)小于分支1，可忽略不計(jì)。因此，擴(kuò)散器總水頭損失系數(shù)ζ取分支1 的水頭損失系數(shù)ζ13。該擴(kuò)散器的總水頭損失hw與工作流體入口流速U1之間的關(guān)系：

圖13給出了擴(kuò)散器水頭損失系數(shù)ζ與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系，由于擴(kuò)散器內(nèi)強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)極大地增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)程度，使得水流提早進(jìn)入阻力平方區(qū)。阻力系數(shù)變動(dòng)幅度很小，趨于穩(wěn)定值，ζ均值約為2.4，小于文獻(xiàn)［24］工程中擴(kuò)散器的水頭損失系數(shù)4.92，略大于文獻(xiàn)［25］中的兩處擴(kuò)散器的水頭損失系數(shù)2.15 和2.38，在工程應(yīng)用的合理范圍內(nèi)。基于阻力相似，擴(kuò)散器總水頭損失系數(shù)ζ可以應(yīng)用于與此幾何相似的大尺度工程實(shí)體。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型預(yù)摻混擴(kuò)散器，采用切向進(jìn)流取代常用的軸向進(jìn)流，將擴(kuò)散器的排放形式由直射流改變?yōu)榄h(huán)形旋轉(zhuǎn)射流，并系統(tǒng)開展初始稀釋特性、流動(dòng)特性及阻力損失試驗(yàn)研究，得出該預(yù)摻混擴(kuò)散器具有以下特點(diǎn)：

（1）稀釋性能穩(wěn)定：試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，流量放大倍比α趨于定值，約為2.5，排放口處溫升極值可降低約50%；排口后相同噴距處的溫升極值變幅較小，沿噴距呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減規(guī)律，1.2D處可降低約80%。

（2）更易滿足環(huán)保要求：本擴(kuò)散器的環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流無恒速的速度核心區(qū)，比直射流的噴距更短；排口后一段距離內(nèi)存在內(nèi)摻混機(jī)制，可從內(nèi)、外邊界卷吸受納水體，卷吸面積更大，摻混稀釋能力更強(qiáng)，對(duì)污水排放后縮短污染帶的環(huán)保要求十分有利。

（3）水頭損失較?。阂晕鬯肟诹魉贋樘卣魉俣?，本預(yù)摻混擴(kuò)散器的水頭損失系數(shù)為2.4，在工程應(yīng)用的合理范圍內(nèi)，具有在推廣應(yīng)用的價(jià)值。

目前，國家環(huán)保部門要求排污、排熱盡量選擇離岸深排，以提高初始稀釋能力。采用本擴(kuò)散器，則可在離岸較近的淺水域獲得較常規(guī)擴(kuò)散器深排的稀釋效果，可縮短排污輸水管道、降低工程投資，應(yīng)用前景佳。后續(xù)研究一方面可深化研究擴(kuò)散器內(nèi)部摻混的強(qiáng)化措施，改進(jìn)內(nèi)部摻混效果；另一方面需開展多個(gè)擴(kuò)散器間的組合應(yīng)用研究，以期進(jìn)一步提高稀射流釋度。

論文摘要編寫要點(diǎn)

論文摘要十分重要，它是溝通讀者和作者之間的橋梁。在今天信息時(shí)代，讀者不可能閱讀刊物的每一篇論文去查找所需的信息，只有通過摘要了解論文的主要內(nèi)容，從而判斷有無必要閱讀全文。國內(nèi)外的檢索系統(tǒng)為了信息交流，更建立了各種二次文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，幫助讀者通過查找論文摘要，以便提取原文。而二次文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)是作者的論文摘要。但許多作者卻往往忽視了論文摘要的這一重要意義，沒有下工夫把論文摘要寫好，尤其是英文摘要。當(dāng)今科技領(lǐng)域，英文已經(jīng)成為國際交流語言，世界各國學(xué)者想追蹤了解某一學(xué)科的發(fā)展情況，多會(huì)用英文工具書、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索。而國外的檢索系統(tǒng)也主要通過英文摘要判斷論文是否被收錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫。為了幫助作者寫好摘要，我編輯部在給作者的論文修改通知中都附有《摘要編寫要點(diǎn)》，供作者參考?，F(xiàn)再刊登于下，以便作者查閱。

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《水利學(xué)報(bào)》編輯部