陳洪程，楊天立，周靜姝，張凡希，成 立

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

隨著水體的富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，藍(lán)藻密度高，輸出時(shí)間長(zhǎng)。太湖很多水系無(wú)法及時(shí)向城區(qū)供水，城區(qū)河網(wǎng)相當(dāng)部分水體水質(zhì)惡化嚴(yán)重。同時(shí)，游離態(tài)的藍(lán)藻胞外聚合物(EPC)在常規(guī)水處理中不易去除，進(jìn)入供水管網(wǎng)后，影響水質(zhì)并加快了管網(wǎng)余氯衰減速度[1- 2]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)藍(lán)藻做了大量的分析和研究。郭鵬[3]分析了藍(lán)藻對(duì)退水渠水污染的影響；賈更華[4]改進(jìn)了針對(duì)太湖藍(lán)藻治理的水華控制技術(shù)；蔡梅等[5- 7]提出了新一輪太湖流域水環(huán)境綜合治理的建議；Jams Redfern等[8]發(fā)現(xiàn)可見光光催化氧化鉍涂層可有效抑制水生藍(lán)藻和降解自由漂浮的基因組DNA；Yee N等[9]分析藍(lán)藻對(duì)中性pH值下二氧化硅沉淀的影響。

新型高壓滅藻井的工作原理是：內(nèi)外雙層套管，通過(guò)水柱產(chǎn)生的壓力，破壞藍(lán)藻氣囊結(jié)構(gòu)，使其沉入湖底，失去活性，無(wú)法聚集在水體表面形成肉眼可見的藍(lán)藻顆粒物。滅藻井結(jié)構(gòu)示意圖及藍(lán)藻處理效果如圖1—2所示。目前滅藻井采用的推流器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較便宜，但效率較低，高效區(qū)范圍較小[10]。而潛水貫流泵同等條件下效率要比推流器高約20%，并且已經(jīng)擁有豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[11]。為了探討潛水貫流泵在滅藻井系統(tǒng)中的應(yīng)用，文中運(yùn)用三維紊流模擬技術(shù)，針對(duì)多種方案，對(duì)高壓滅藻井系統(tǒng)進(jìn)行了整體的數(shù)值模擬，并研究了最優(yōu)方案下出水橫管中潛水貫流泵在不同工況下的運(yùn)行情況。

圖1 滅藻井?dāng)嗝媸疽鈭D

圖2 滅藻井藍(lán)藻處理效果圖

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 流動(dòng)控制方程

綜合考慮求解精度和效率，采用雷諾時(shí)均的Navier-Stokes方程描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，忽略冷熱交換，并依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)中的基本原理，建立水流流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，在雷諾數(shù)較大的情況下，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[12- 13]。

(1)雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程：

(1)

式中，ui—速度(i=1，2，3，下同)；t—時(shí)間;ρ—密度;p—壓力;μ—流體的動(dòng)力粘度;Si—?jiǎng)恿吭错?xiàng)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型：

(2)

(3)

式中，k—湍動(dòng)能，m2/s2;ε—湍動(dòng)耗散，m2/s3;μ—?jiǎng)恿φ扯?；C1、C2—模型常數(shù)。

1.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

利用UG NX軟件建立琳橋船閘、琳橋閘、滅藻井及輸水管道的流場(chǎng)三維模型，并將各部件連接得到整體三維模型如圖3所示。計(jì)算域進(jìn)口為琳橋船閘上閘首，邊界設(shè)置為質(zhì)量流進(jìn)口，給定質(zhì)量流量。計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在距離琳橋閘下200m的河道斷面，給定平均靜壓。水流表面均為自由液面，河道水位變化幅度不大，忽略空氣對(duì)水面的切應(yīng)力作用，計(jì)算時(shí)選用對(duì)稱面邊界處理。固體壁面設(shè)為wall，將其視為無(wú)滑移的壁面進(jìn)行處理[14]。對(duì)于潛水貫流泵裝置三維定常數(shù)值計(jì)算，動(dòng)靜交界面設(shè)置采用Stage，靜靜交界面都采用none模型，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。數(shù)值計(jì)算收斂精度標(biāo)準(zhǔn)采用了10-4量級(jí)。

圖3 計(jì)算區(qū)模型

圖4 潛水貫流泵裝置圖

1.3 網(wǎng)格剖分

采用Mesh軟件對(duì)河道、滅藻井、出水橫管等進(jìn)行分塊網(wǎng)格剖分，如圖5所示，結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，將Yplus值控制在100以內(nèi)。在TurboGrid軟件中采用ATM Optimized方法自動(dòng)對(duì)葉輪和導(dǎo)葉劃分網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格上控制點(diǎn)的調(diào)整和拓?fù)鋵拥奶砑觼?lái)提高局部網(wǎng)格的質(zhì)量。利用總水力損失作為衡量網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響的依據(jù)，公式如下：

圖5 計(jì)算區(qū)網(wǎng)格

(4)

式中，Hf—全流道的總水力損失；Pin、Pout—進(jìn)、出口的總壓強(qiáng)；ρ—水的密度，為1g/cm3;g—重力加速度，為9.8m/s2。

通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，網(wǎng)格總數(shù)在1100萬(wàn)左右時(shí)水力損失的變化較小，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.3以上，滿足數(shù)值計(jì)算要求[15]。如圖6所示。

圖6 不同網(wǎng)格數(shù)量下的水力損失

2 方案比選

應(yīng)用數(shù)值模擬，給出了設(shè)計(jì)工況下多種整流措施對(duì)流場(chǎng)流態(tài)的影響。方案措施見表1，推流器性能參數(shù)為單臺(tái)流量5m3/s，揚(yáng)程1.5m，管徑DN2000，電機(jī)功率為115kW，轉(zhuǎn)速1450r/min。潛水貫流泵機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)流量為5.0m3/s，原型水泵擬采用型號(hào)為1400GQ- 160的潛水貫流泵，轉(zhuǎn)速370r/min，管徑DN2000。整流措施平面布置情況如圖7所示。

表1 整流設(shè)計(jì)方案

圖7 3種方案整流措施布置圖

3 結(jié)果與分析

3.1 三維流態(tài)分析

如圖8所示各方案下的三維流場(chǎng)圖可知，方案一，不增加整流方案時(shí)，4個(gè)輸水管路中水流紊亂，再加上水中雜質(zhì)較多，極易導(dǎo)致推流器葉片的氣蝕產(chǎn)生，從而影響機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行。由于較大角度的側(cè)向出水，出水側(cè)流態(tài)極為紊亂，尤其是到了河道擴(kuò)散段，水流結(jié)構(gòu)本身具有明顯的二次流結(jié)構(gòu)，河床兩側(cè)流速差異大，動(dòng)量不均，產(chǎn)生了較大范圍的旋渦，且旋渦流速最大能達(dá)到1.6m/s，長(zhǎng)久運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致河床被嚴(yán)重沖刷，對(duì)后續(xù)船只通行安全構(gòu)成一定威脅。

圖8 三維流場(chǎng)圖

方案二，“川”字型導(dǎo)流墻方案一定程度上緩解了出水池位置偏流嚴(yán)重的情況，同時(shí)降低了出水側(cè)河道內(nèi)水流的平均流速，但流速數(shù)值區(qū)間沒(méi)有改變，最大流速依然達(dá)到了6.75m/s，并且導(dǎo)流墻后側(cè)水流恢復(fù)較差，流速分布不均勻，靠近河道出口處產(chǎn)生了較大的回流區(qū)并向下游發(fā)展，河道邊坡處的流速依舊很大，對(duì)邊坡依然具有一定的侵蝕作用，不利于此處擋墻的穩(wěn)定。

方案三，輸水管路中流態(tài)得到明顯改善，機(jī)組運(yùn)行能達(dá)到一個(gè)比較理想的狀態(tài)。同時(shí)，水流通過(guò)底坎后，水流通過(guò)翻滾和渦旋運(yùn)動(dòng)、水流不斷混摻從而產(chǎn)生紊動(dòng)能交換，使水流原有的流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消掉水流大部分不利的剩余能量。優(yōu)化過(guò)后，水流流線比較順直，流速比較合理，水流流向得到調(diào)整。雖然局部位置仍然存在小范圍的回流現(xiàn)象，但流速普遍較低，琳橋閘到底坎位置的水流中最大流速在0.5m/s，底坎位置到下游的水流最大流速在0.25m/s，既不會(huì)產(chǎn)生河床沖刷問(wèn)題，也不會(huì)有藍(lán)藻因流速過(guò)大而無(wú)法充分沉淀的問(wèn)題，同時(shí)流速不過(guò)慢也避免了出水池長(zhǎng)久使用后容易產(chǎn)生的淤積問(wèn)題。在河道流速得到有效控制的前提下，河道中未做任何額外整流措施處理，主要是為了后續(xù)船閘開放后，便于船只通行，避免安全隱患。

3.2 特征斷面流速分布

為直觀反映水流內(nèi)部流速分布情況，選取出水側(cè)的中層流平面作為研究對(duì)象。從圖9流速分布云圖可知，采用方案一、二時(shí)，出水側(cè)中層流速集中在0.25～0.5m/s，流速分布紊亂，局部流速較大，最大流速達(dá)到6.8m/s，并有較明顯的旋渦產(chǎn)生，極易產(chǎn)生負(fù)壓，從而對(duì)琳橋閘側(cè)的岸墻產(chǎn)生沖刷。且河道下游潛水泵出水口處存在較大范圍的流速為0.5m/s的區(qū)域，不利于藍(lán)藻的沉淀和河道的動(dòng)量平衡。采用方案三時(shí)，出水側(cè)流速雖然也集中在0.25～0.5m/s，但過(guò)了底坎后，水流流速得到有效控制，均在0.1m/s以下，全流道最大流速為4.8m/s，說(shuō)明水流通過(guò)輸水管道擴(kuò)散后，流速得到有效控制，對(duì)下游河道的不利影響最小。

為進(jìn)一步分析方案三(最優(yōu)方案)垂直于水流方向的各過(guò)水?dāng)嗝媪魉俜植记闆r，選取順?biāo)鞣较虻亩鄠€(gè)平行河道斷面為研究對(duì)象，獲得如圖10所示行進(jìn)過(guò)程流速矢量變化。底坎坎前水流側(cè)向流速大，流速矢量方向混亂，有較大范圍的回流。通過(guò)底坎后，行進(jìn)方向各斷面的速度矢量有所優(yōu)化，水流流向得到調(diào)整，但仍然存在小范圍的回流現(xiàn)象。

圖9 流速分布云圖(中層流)

圖10 行進(jìn)斷面流速變化圖

坎后水流流速較低，流向基本垂直于過(guò)水?dāng)嗝妫瑥淖詈笠粋€(gè)斷面流速矢量分布可知，進(jìn)入下游河道的水流流態(tài)得到了充分的改善，斷面上水流流速基本平均。

為判斷各機(jī)組進(jìn)水側(cè)流場(chǎng)的優(yōu)劣，選取出水橫管進(jìn)口斷面為特征斷面，并以常用的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)(流速分布的均勻性和水流進(jìn)泵的方向性)為衡量標(biāo)準(zhǔn)[16- 20]。

流速分布均勻度：

(5)

速度加權(quán)平均角度：

(6)

計(jì)算結(jié)果如圖11—12所示。由圖11對(duì)比三個(gè)方案下特征斷面的法向流速均勻度可知，方案一、二的斷面法向流速均勻度平均值分別為80.0%和84.9%，方案三的進(jìn)水?dāng)嗝媪魉倬鶆蚨茸罡撸瑸?5.7%，更加接近于理想狀態(tài)，說(shuō)明該方案下水流在特征斷面上的流速分布比較均勻，具有更好的水力特性。因此，采用方案三的整流措施使得推流器及潛水泵的的進(jìn)水條件均得到有效地改善，進(jìn)水管路中流態(tài)比較平順，進(jìn)水?dāng)嗝媪魉俦容^均勻，能夠滿足機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的高效運(yùn)行。

圖11 法向流速均勻度-橫管進(jìn)水?dāng)嗝?/p>

圖12 速度加權(quán)平均角-橫管進(jìn)水?dāng)嗝?/p>

由圖12可知，方案一，4臺(tái)機(jī)組的進(jìn)水?dāng)嗝嫠俣燃訖?quán)平均角度較小，偏離法向方向，其中最大值不超過(guò)77°，1#機(jī)組速度加權(quán)平均角最小僅有73°，其管路中很可能產(chǎn)生了旋渦，水流流速紊亂，流向復(fù)雜，裝置進(jìn)水條件差，機(jī)組效率低下。方案二，4臺(tái)機(jī)組的加權(quán)平均角度有所增大，水流流向得到較明顯的改善，尤其是潛水泵的水流角度達(dá)到了78°，但整體方案還不是最理想狀態(tài)。方案三，總體上為斷面水流加權(quán)平均角度的最優(yōu)狀態(tài)，速度加權(quán)平均角的平均值為80°，與前兩個(gè)方案相比，更加接近理想狀態(tài)下的90°，水力特性較好，符合三維優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法的要求。

綜合以上的CFD數(shù)值模擬結(jié)果，方案三在整體流場(chǎng)流態(tài)、機(jī)組裝置靜壓分布及管路水力特性方面均較優(yōu)，建議采用方案三為最終設(shè)計(jì)方案。

3.3 潛水貫流泵裝置數(shù)值分析

為進(jìn)一步分析方案三(推薦方案)潛水貫流泵裝置在不同工況下的流動(dòng)特性。選取3個(gè)典型工況點(diǎn)，分別為小流量工況(0.8QBEP)、設(shè)計(jì)工況(QBEP)和大流量工況(1.2QBEP)，如圖13所示。

圖13 各特征工況泵裝置全流道流線圖

由圖13可知，小流量時(shí)，導(dǎo)葉及燈泡體處流態(tài)較差，出現(xiàn)了渦漩運(yùn)動(dòng)，易產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)等不利影響，燈泡體尾部收縮段出現(xiàn)了一定的脫流現(xiàn)象，導(dǎo)致出水側(cè)流速分布不均，流態(tài)混亂。在設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)水側(cè)水流流態(tài)順直且均勻收縮，出水側(cè)經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉的擴(kuò)散整流作用回收了出口水流的部分環(huán)量，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，提高了裝置的效率，同時(shí)，導(dǎo)葉的漩渦和燈泡體尾部的脫流現(xiàn)象均有很明顯的改善。大流量時(shí)，裝置整體流態(tài)均為均勻，表明導(dǎo)葉對(duì)水流的環(huán)量回收較好，但由于燈泡體尾部結(jié)構(gòu)的約束，水流徑向的流速較大，出現(xiàn)了較小程度的流速不均情況。綜上所述，在設(shè)計(jì)流量和大流量情況下，潛水貫流泵裝置均能安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，滿足工程供水設(shè)計(jì)需求。

為進(jìn)一步分析泵裝置葉輪運(yùn)行情況，選取了3個(gè)工況下葉片的壓力分布，如圖14所示。由圖14可知，葉片壓力面的靜壓數(shù)值總體上要大于吸力面上靜壓數(shù)值。小流量工況時(shí)葉輪葉片壓力面的靜壓分布整體上呈階梯型的降低趨勢(shì)，壓力數(shù)值整體較大，靠近葉輪輪轂邊緣處出現(xiàn)局部壓力較小區(qū)域，易產(chǎn)生汽蝕，進(jìn)而影響葉輪的穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)流量和大流量時(shí)，壓力面上靜壓分布情況與小流量區(qū)別較大，不再呈現(xiàn)沿著輪緣展向比較規(guī)律性的分布，而是整體呈現(xiàn)中間壓力大，兩邊壓力小的分布情況，但是沒(méi)有明顯的小區(qū)域壓力突變情況?？傮w上，隨著流量的增大，葉片壓力面上靜壓數(shù)值逐漸減小。

圖14 葉片表面靜壓分布圖

小流量工況下，吸力面壓力值沿水流進(jìn)口邊至出口邊呈現(xiàn)條狀分布，并且數(shù)值逐漸遞增，但在出口邊緣靠近葉片外殼處出現(xiàn)了局部的高壓，數(shù)值達(dá)到110kPa。設(shè)計(jì)流量則在進(jìn)口邊區(qū)域產(chǎn)生了較大范圍的低壓區(qū)，約占整個(gè)吸力面面積的1/3，整體吸力面壓力分布情況不如小流量工況理想。大流量工況時(shí)，吸力面壓力分布更加無(wú)規(guī)則，并且產(chǎn)生了多個(gè)局部低壓區(qū)或高壓區(qū)，可能是由于吸力面在葉輪運(yùn)行時(shí)，葉片表面產(chǎn)生了一定的脫流情況。總體上，葉片吸力面較壓力面更易產(chǎn)生局部壓力突變情況，但數(shù)值仍然在可控范圍內(nèi)。

導(dǎo)葉出口處極易產(chǎn)生回流等現(xiàn)象，從而影響出口環(huán)量的回收，不利于裝置的高效穩(wěn)定運(yùn)行。為分析各流量工況下導(dǎo)流出口環(huán)量變化情況，以導(dǎo)葉出口斷面的平均環(huán)量作為定量指標(biāo)來(lái)評(píng)判導(dǎo)葉出口流態(tài)的旋轉(zhuǎn)幅度。當(dāng)水流從層流變?yōu)槲闪鲿r(shí)，在擾動(dòng)作用下形成了渦流，此時(shí)流線與渦體的切角為渦流角。以平均渦角來(lái)驗(yàn)證不同工況下導(dǎo)葉回收環(huán)量的效果。

斷面平均環(huán)量：

(7)

(8)

將(9)式帶入(8)式可得導(dǎo)葉出口斷面的平均環(huán)量：

(9)

(10)

表2 導(dǎo)葉出口平均環(huán)量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)工況下，滅藻井工程出水池采用底坎方案時(shí)水流條件最佳，出水池部位整體流速控制在1.2m3/s，既不會(huì)產(chǎn)生河床沖刷，也不會(huì)有藍(lán)藻無(wú)法充分沉淀的問(wèn)題，且水流流態(tài)較為平順，沒(méi)有大范圍旋渦，出水橫管進(jìn)口斷面流速均勻度最高，較原始方案提高了4%～5%，速度加權(quán)平均角度平均抬高了約5°。潛水貫流泵裝置應(yīng)盡量避免在小流量工況下運(yùn)行，此工況下泵裝置導(dǎo)葉部位易產(chǎn)生氣泡和脫流現(xiàn)象，導(dǎo)葉出口斷面平均環(huán)量和平均渦角均較大，導(dǎo)葉能量回收效果較差。同時(shí)，該工況下葉輪壓力面和吸力面也產(chǎn)生了局部壓力突變情況，易導(dǎo)致水力部件的汽蝕和振動(dòng)。

(2)在滅藻井工程中采用一臺(tái)潛水貫流泵，提高了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外河水位變化的適應(yīng)性，彌補(bǔ)了推流器揚(yáng)程適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，便于工程后續(xù)運(yùn)行調(diào)度。同時(shí)，本文研究方案有效優(yōu)化了出水池的流態(tài)，控制了斷面流速，為后續(xù)滅藻井工程的裝置選擇和工程布置提供了理論參考。

本文采用CFD模擬了滅藻井及其上下游水域水流流動(dòng)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)新型高壓滅藻井系統(tǒng)的布置方案和裝置選擇具有參考作用，對(duì)后續(xù)工程運(yùn)行管理提供了工況選擇依據(jù)，也為后續(xù)物理模型試驗(yàn)提供了理論對(duì)比參數(shù)。