基于環(huán)型射流抽吸原理的新型預(yù)摻混擴(kuò)散器稀釋特性初探

彭莘仔，趙懿珺，賀益英，譚水位，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

1.1 污水或溫排水排放口研究概況污水及電廠溫排水排放對水生態(tài)環(huán)境的影響一直以來受到審評監(jiān)管部門的高度關(guān)注，是決定工程規(guī)劃實施的關(guān)鍵問題，甚至在環(huán)評中起到一票否決的作用。以溫排水為例，一臺百萬千瓦的核電機(jī)組，會將流量50～65 m3/s、高于環(huán)境溫度8～10℃的溫排水源源不斷地排入受納水體［1］，如不采取控制措施，將會造成局部水域水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化加重，進(jìn)而損害水生態(tài)系統(tǒng)。排放口污染物濃度或水溫往往超過環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)限值。為將超標(biāo)區(qū)域控制在較小范圍，國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)提出設(shè)置“監(jiān)管混合區(qū)”。例如我國臺灣明確規(guī)定放流水直接排放于海洋時，放流口水溫不得超過42℃，距排放口500 m處表面水溫差不得超過4℃［2］。世界銀行對申請貸款建設(shè)的熱力發(fā)電廠，要求距排口100 m處溫升不超過3℃［3］。美國聯(lián)邦政府各個州制定了適合本州的溫排水標(biāo)準(zhǔn)，如馬塞諸塞州要求最大溫升不得超過5℃，夏季最高溫度不得超過28.33℃［4］。我國《近岸海域環(huán)境功能區(qū)管理辦法》中也明確規(guī)定污水集中排放形成的混合區(qū)，不得影響鄰近功能區(qū)的水質(zhì)和魚類回游通道。對于濱海核電廠，排口處平均溫升夏季不宜超過10℃、冬季不宜超過16℃；冬、夏季4℃溫升包絡(luò)范圍不得超出溫排水混合區(qū)范圍。目前已有的溫水排放標(biāo)準(zhǔn)指出了混合區(qū)應(yīng)關(guān)注的3個方面：排水口溫度限值、溫升限值以及混合區(qū)邊緣與排口的距離。

污水或溫排水在排放口近區(qū)主要表現(xiàn)為射流形態(tài)，射流的初始稀釋度決定了混合區(qū)的范圍及邊緣溫升，排放器型式是影響射流初始稀釋效果的重要因素［5-6］。為提高初始稀釋度、減小所形成的混合區(qū)各參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量擴(kuò)散器研究。從擴(kuò)散器長度、噴口間距、噴口形狀、噴口高度與角度等方面進(jìn)行優(yōu)化。研究手段主要采用量綱分析、模型試驗、數(shù)值模擬［7-9］等方法。這類常規(guī)的擴(kuò)散器研究的出發(fā)點是：排放口濃度或溫度已經(jīng)固定，系通過優(yōu)化擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式增大稀釋度。1960年代，國外學(xué)者曾提出“預(yù)摻混擴(kuò)散器”的概念，即在污水自擴(kuò)散器出流前就摻入環(huán)境水體，意在加入一個預(yù)稀釋過程直接降低排口出流濃度。預(yù)摻混擴(kuò)散器會在一定程度上造成水頭損失加大、工程投資增加、運(yùn)行成本提高，雖然其概念早已提出，但相關(guān)的系統(tǒng)深入研究并不多見。

近年來，環(huán)境保護(hù)力度越來越大，在排放口論證過程中要求混合區(qū)必須采取措施盡可能滿足規(guī)范要求，實現(xiàn)污、熱水排放達(dá)標(biāo)。對于排放濃度或溫度比較高、排放量又比較大的情況，如果仍然采用常規(guī)擴(kuò)散器型式，可能較難達(dá)到環(huán)保要求。為此，開展預(yù)摻混擴(kuò)散器的研究有著重要的意義。

1.2 預(yù)摻混擴(kuò)散器研究進(jìn)展利用文丘里原理實現(xiàn)環(huán)境流體與射流的預(yù)摻混是預(yù)摻混擴(kuò)散器設(shè)計中較為簡便、常用的一種方法。文丘里原理在石油化工、魚類養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，如射流泵、魚塘增氧機(jī)和文丘里施肥器等。目前國內(nèi)尚未見到應(yīng)用該原理進(jìn)行污水處理的預(yù)摻混擴(kuò)散器的相關(guān)研究，國外學(xué)者主要從稀釋效果和經(jīng)濟(jì)成本兩個方面考慮，對預(yù)摻混裝置構(gòu)造進(jìn)行過探求，取得某些成果，主要結(jié)構(gòu)形式有3種：管壁開孔式、套管式及終端式預(yù)摻混擴(kuò)散器。

管壁開孔式預(yù)摻混擴(kuò)散器［10］，如圖1所示，在放流管路形成收縮，使收縮部位速度增大、壓強(qiáng)降低，造成管道內(nèi)外壓差，促使環(huán)境水通過管壁開孔卷吸進(jìn)入射流管路，實現(xiàn)排放前的預(yù)摻混。Nece的試驗結(jié)果指出污水排口濃度可減小50%，但沒有針對污水自排口射出上浮至表面的后續(xù)稀釋效果展開進(jìn)一步研究。Sharp［11］分析認(rèn)為管壁開孔式預(yù)摻混擴(kuò)散器增強(qiáng)稀釋倍數(shù)小于2.0，并利用Cederwall和Liseth的稀釋度公式計算得出預(yù)摻混擴(kuò)散器增強(qiáng)稀釋倍數(shù)IF與其內(nèi)部稀釋度n和排口管徑增大倍數(shù)p之比呈冪指數(shù)關(guān)系，為預(yù)測預(yù)摻混擴(kuò)散器稀釋效果提供依據(jù)。

套管式預(yù)摻混擴(kuò)散器［12］，在管徑較細(xì)的污水排放管末端再套一個大直徑的混合管，軸向通入的污水從噴嘴高速射出時，環(huán)境水從兩管間隙被吸入，對污水進(jìn)行摻混和稀釋，形成排放前的預(yù)摻混，裝置如圖2所示。文獻(xiàn)［13］記載了澳大利亞昆士蘭東南部的一個小型污水處理工程中曾使用了這種形式的預(yù)摻混擴(kuò)散器。Argaman等［14］指出混合管內(nèi)部污水稀釋度n與噴嘴直徑d1和混合管直徑d2之比線性相關(guān)，對套管式預(yù)摻混擴(kuò)散器設(shè)計具有指導(dǎo)意義。Portillo等［15］在MaspalomasⅡ海水淡化工程中將套管式預(yù)摻混擴(kuò)散器與傳統(tǒng)擴(kuò)散器稀釋效果相比，混合區(qū)內(nèi)平均稀釋度提高43%。然而污水噴口需要非常高的速度（≥11 m/s）來產(chǎn)生足夠的抽吸力，造成了較大的動力需求和水頭損失。

圖1 管壁開孔式預(yù)摻混擴(kuò)散器

圖2 套管式預(yù)摻混擴(kuò)散器

圖3 終端式預(yù)摻混擴(kuò)散器剖面

Agg［16］直接在排口末端加裝終端式預(yù)摻混擴(kuò)散器，如圖3所示，該裝置主要由污水管、吸水管（孔）和混合腔組成，污水射入腔體產(chǎn)生的低壓使得環(huán)境水被吸入，這避免直接在放流管道上開孔，也便于在已有工程上直接安裝。Agg等的試驗結(jié)果表明：終端式預(yù)摻混擴(kuò)散器適用于淺水條件，其稀釋效果可達(dá)一般擴(kuò)散器的兩倍，但隨著水深的增加，稀釋效果有所減弱。針對終端式預(yù)摻混擴(kuò)散器，Osorio指出了實際使用過程中存在的污水流量變化和泥沙淤堵等問題同樣值得關(guān)注［17］。

初始稀釋度與射流流態(tài)也密切相關(guān)。若能夠采取措施在擴(kuò)散器射流出口后較短距離內(nèi)增強(qiáng)紊動，加大卷吸面積，則可顯著提高摻混稀釋效果。

Hansen［18］將射流污水進(jìn)行劈分，發(fā)現(xiàn)污水分成兩部分的時候能夠?qū)⒄w的稀釋度增大一倍。Sharp等［19］利用了浮力與Coanda效應(yīng)的影響，在壁面形成較大渦旋，改善稀釋效果。Noutsopoules［20］在射流出口距離H處放置一直徑為D的同軸心圓盤，通過合理放置圓盤能夠增強(qiáng)其后初始稀釋度。他們的研究啟示人們：強(qiáng)化擴(kuò)散器射流與環(huán)境水體的接觸面積，對射流核心區(qū)卷吸環(huán)境水體的作用不可小噓。

國外學(xué)者對預(yù)摻混擴(kuò)散器增強(qiáng)排口初始稀釋度問題進(jìn)行了長時間的探索，但仍然面臨著稀釋效果有待提高、水頭損失較大、適用范圍受限等問題。為此，本文進(jìn)一步探索新型預(yù)摻混擴(kuò)散器，緊密關(guān)注內(nèi)部摻混效果及排口混合后的強(qiáng)化卷吸措施，提高預(yù)摻混擴(kuò)散器的工程實用性。

2 新型預(yù)摻混擴(kuò)散器工作原理與基本構(gòu)造

本文提出基于環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流的新型預(yù)摻混擴(kuò)散器，針對徑向進(jìn)流與切向進(jìn)流兩種進(jìn)流方式，采用模型試驗與三維數(shù)值模擬方法對比研究了摻混稀釋效果。區(qū)別于傳統(tǒng)意義“初始稀釋”的概念，本文所指的初始稀釋包括了擴(kuò)散器內(nèi)部的預(yù)稀釋和排口后的卷吸摻混稀釋兩個方面。

2.1 工作原理利用污水（溫排水）原有的排放壓力，在擴(kuò)散器中形成空心的環(huán)形旋轉(zhuǎn)（或非旋轉(zhuǎn)）射流，其空心部位出現(xiàn)的負(fù)壓，可自吸水口抽吸大量環(huán)境水體進(jìn)入擴(kuò)散器中，并在其喉部與污水（溫排水）預(yù)先強(qiáng)烈摻混稀釋，大幅度地降低污水濃度（排水溫度）后，自擴(kuò)散器擴(kuò)壓管口排出，排出水量近乎成倍增長；又因排水流量（流速）的增加，特別是射流的旋轉(zhuǎn)態(tài)，使排放口近區(qū)出現(xiàn)較無預(yù)摻混擴(kuò)散器出口射流對環(huán)境水體更為強(qiáng)烈的卷吸摻混。

2.2 基本構(gòu)造預(yù)摻混擴(kuò)散器試驗?zāi)Ｐ推拭嫒鐖D4（a），主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：環(huán)境水吸水管入口直徑d1=76 mm、污水進(jìn)水管直徑d2=18 mm、擴(kuò)散器擴(kuò)壓管出口d3=86 mm。根據(jù)工作流體進(jìn)入的方式，提出切向進(jìn)水和徑向進(jìn)水兩種形式的預(yù)摻混擴(kuò)散器，如圖4（b）（c）。

3 新型預(yù)摻混擴(kuò)散器稀釋特性研究

3.1 模型試驗流量放大倍比α是反映摻混稀釋效果的重要參數(shù)。假定污水排放流量為q，與環(huán)境水摻混后的總流量為Q。則流量放大倍比α：

從原理分析，采用切向進(jìn)水方式的預(yù)摻混擴(kuò)散器，污水進(jìn)流方向造成的旋轉(zhuǎn)流動使其與環(huán)境水產(chǎn)生接觸面積更大，其稀釋效果應(yīng)優(yōu)于徑向進(jìn)水方式。采用模型試驗方法對比研究了靜水條件下兩種預(yù)摻混擴(kuò)散器的流量放大倍比。模型布置如圖5，試驗水槽被有機(jī)玻璃隔為左、右兩個水室。擴(kuò)散器喉管部位固定于隔板上，兩水室僅由擴(kuò)散器連通。試驗過程中控制左、右水室水面高度一致，避免因兩側(cè)水位差導(dǎo)致的過擴(kuò)散器流量。污水流量由電磁流量計測得；污水與吸入的環(huán)境水流混合后的流量由三角堰測得。

3.2 數(shù)值模擬本文采用雷諾平均的N-S方程模擬射流的水動力過程。污水徑向入流時，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型；切向入流時，選擇對旋轉(zhuǎn)流動有更好描述的RNG k-e模型。為保證計算的可靠性，研究采用成熟通用的Fluent軟件。模擬區(qū)域包括預(yù)摻混擴(kuò)散器及其周圍大約2.5 m3環(huán)境水體。采用ICEM建立擴(kuò)散器模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，擴(kuò)散器部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約170萬，最小網(wǎng)格尺寸3 mm。

計算中，動量、湍動能、湍動耗散率和能量均采用二階迎風(fēng)離散格式；流速壓力速度耦合采用穩(wěn)定性較好的SIMPLE算法；固壁采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。污水入口邊界及環(huán)境流進(jìn)流入口邊界均設(shè)置為速度進(jìn)口；出流邊界為自由出流。

3.3 摻混稀釋效果分析

3.3.1 兩種進(jìn)流方式的放大倍率比 靜水條件下，針對徑向進(jìn)流與切向進(jìn)流兩種預(yù)摻混擴(kuò)散器，改變污水進(jìn)流流量q，通過模型試驗和數(shù)值計算得出相應(yīng)的擴(kuò)散器出口經(jīng)環(huán)境水體摻混后的總流量Q據(jù)此求得流量放大倍比α。

圖6給出數(shù)值計算與模型試驗的對比，可以看出除切向流入的小流量工況兩者有一定差異，其它工況兩者吻合較好。從摻混效果來看，兩種進(jìn)流方式均可以有效實現(xiàn)環(huán)境水體對射流的提前摻混，驗證了基于環(huán)型射流抽吸原理的預(yù)摻混擴(kuò)散器工作原理。隨著污水進(jìn)流流量增大，流量放大倍比趨于穩(wěn)定。徑向進(jìn)流方式的流量放大倍比在1.5左右；切向進(jìn)流方式的流量放大倍比在2.0～2.5之間，抽吸效果明顯占優(yōu)。

相同排口直徑下，切向進(jìn)流方式污水的旋轉(zhuǎn)射流流態(tài)不僅倍增了擴(kuò)散器的出水量，加劇了擴(kuò)散器內(nèi)污水與吸入環(huán)境水的預(yù)摻混，而且也有利于增強(qiáng)擴(kuò)散器出口射流的卷吸摻混，降低排放污水與環(huán)境水體的密度差，進(jìn)而加大污水初始稀釋度，實現(xiàn)傳統(tǒng)擴(kuò)散器以增大放流管道口徑和立排分管數(shù)量才能達(dá)到的稀釋效果。

圖4 預(yù)摻混擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)

圖5 模型試驗裝置

3.3.2 兩種進(jìn)流方式的紊動摻混比較 為進(jìn)一步比較有環(huán)境流條件下兩種進(jìn)流方式的摻混效果，采用數(shù)學(xué)模型模擬了含熱廢水（溫排水）經(jīng)由上述兩種預(yù)摻混擴(kuò)散器的稀釋擴(kuò)散。計算中，熱水進(jìn)口流速4 m/s，水溫比環(huán)境水溫高10 K，環(huán)境流速0.2 m/s，熱水和環(huán)境水溫度分別為310和300 K。

排口后溫度分布直接反映熱廢水的稀釋效果。數(shù)學(xué)模型計算得到的擴(kuò)散器排口后20 cm處溫度分布云圖如圖7所示。結(jié)果表明：徑向進(jìn)流時，該處斷面最高溫度305.2 K；切向進(jìn)流時，斷面最高溫度302.9 K，熱廢水的斷面溫度分布均勻，溫度極值較低，稀釋效果更好。

湍動能是湍流混合能力的重要標(biāo)志。對比分析兩種進(jìn)流方式的湍動能分布云圖（圖8），可以發(fā)現(xiàn)溫排水在環(huán)形進(jìn)水室中發(fā)生流向的大折轉(zhuǎn)，此段流速、流向均有較大變動，紊動劇烈，湍動能在該部位數(shù)值較高。從喉管前端至擴(kuò)散器出口段，流動則較為平順。徑向進(jìn)流的湍動能數(shù)值較低，熱水與吸入的環(huán)境水摻混程度不高；切向進(jìn)流沿程湍動能數(shù)值較高。究其原因，主要在于其旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致環(huán)境水與旋轉(zhuǎn)流間發(fā)生了比之同向流猛烈得多的摻混，產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量和動量交換，因而紊動度增大，高溫水稀釋效果明顯優(yōu)于徑向進(jìn)水。

圖6 流量放大倍比

圖7 溫度分布云圖

圖8 湍動能分布云圖

污水切向進(jìn)流條件下，以具有軸向、徑向和切向速度的旋轉(zhuǎn)射流形式排出。相對于普通的圓射流，旋轉(zhuǎn)射流不僅具有射程短、卷吸摻混能力強(qiáng)等特點［21］；并且由于其強(qiáng)烈的紊動，大量卷吸著周圍的環(huán)境流體，將其自身動量和熱量傳遞出去，因而其稀釋能力和周向擴(kuò)散能力均較強(qiáng)［22］。

綜上分析，切向進(jìn)流的預(yù)摻混擴(kuò)散器與以往預(yù)摻混擴(kuò)散器相比具有明顯的優(yōu)勢：不僅以最高2.5左右的流量放大倍率實現(xiàn)了排放前的預(yù)摻混，并且以旋轉(zhuǎn)射流的形式使得排口后的射流卷吸得到強(qiáng)化。

基于環(huán)型射流抽吸原理的預(yù)摻混擴(kuò)散器改變了順直管道中污水流動結(jié)構(gòu)。切向進(jìn)流時，將一維管流轉(zhuǎn)變?yōu)槿S旋轉(zhuǎn)流動，其內(nèi)部既存在壁面附近的外旋流又存在中心的內(nèi)旋流；徑向進(jìn)流時，形成同軸同向的組合流動。該類型預(yù)摻混擴(kuò)散器的水流結(jié)構(gòu)顯然有利于促進(jìn)初始摻混稀釋，其中切向進(jìn)流方式更優(yōu)。對于預(yù)摻混擴(kuò)散器而言，除了關(guān)注初始稀釋效果外，局部阻力損失也是影響其實用性的重要因素。局部阻力損失與水流結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。與順直管道相比，水流在預(yù)摻混擴(kuò)散器內(nèi)旋轉(zhuǎn)、扭曲、碰撞，產(chǎn)生大大小小的渦流區(qū)消耗了主流能量，局部阻力損失必然增大。預(yù)摻混擴(kuò)散器的三維渦流結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，僅采用雷諾平均的數(shù)學(xué)模型在模擬局部阻力損失方面還具有一定的局限性，因此本項工作后期將采用試驗與模擬手段進(jìn)一步探索局部阻力損失及其局部阻力系數(shù)，為進(jìn)一步論證上述兩種預(yù)摻混擴(kuò)散器的工程可行性提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過調(diào)研分析近幾十年來國外預(yù)摻混擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)和射流領(lǐng)域的研究成果，發(fā)現(xiàn)已有預(yù)摻混擴(kuò)散器主要面臨水頭損失較大、稀釋效果不理想、適用范圍受限等問題。本文基于環(huán)型射流抽吸原理提出了一種新型的預(yù)摻混擴(kuò)散器，并采用試驗與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了徑向進(jìn)流與切向進(jìn)流兩種進(jìn)流方式的初始稀釋特性，結(jié)果表明：（1）基于環(huán)型射流抽吸原理的預(yù)摻混擴(kuò)散器可以有效實現(xiàn)環(huán)境水體對射流的提前摻混。兩種進(jìn)流方式相比，采用切向進(jìn)流的預(yù)摻混擴(kuò)散器具有三維旋轉(zhuǎn)射流結(jié)構(gòu)，不僅在擴(kuò)散器內(nèi)摻混稀釋效果更優(yōu)，而且加大了對環(huán)境水體的抽吸倍率，使得出口后射流對環(huán)境水體的卷吸能力也有較大提升。（2）靜水條件下，隨著污水進(jìn)流流量增大，流量放大倍比趨于穩(wěn)定。徑向進(jìn)流方式的流量放大倍比在1.5左右。切向進(jìn)流方式的流量放大倍比在2.0～2.5之間，明顯大于徑向進(jìn)流方式，同時其預(yù)摻混效果也明顯優(yōu)于前人提出的預(yù)摻混擴(kuò)散器。（3）兩種進(jìn)流方式均在環(huán)型進(jìn)水室出現(xiàn)湍動能的峰值，但切向進(jìn)流方式沿程均可保持較高的湍動能，并且其排口斷面溫度分布也更加均化。