南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置安放位置研究

吳林峰，劉易博，王文，范宇帆

南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置安放位置研究

吳林峰，劉易博，王文，范宇帆

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

隨著南水北調(diào)中線工程的運行，因沿線機電設(shè)備內(nèi)油類污染物出現(xiàn)外泄或滲漏等多種原因，導(dǎo)致渠道表面出現(xiàn)油類污染物。該類污染對飲用水造成了很大影響，需對水表油類污染物進行清除處理。根據(jù)南水北調(diào)中線干渠實際情況，研制一種適用于南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置。該裝置與渠岸成一定夾角斜跨干渠水面安放。利用ANSYS Workbench平臺中Fluent模塊，對攔截裝置與干渠呈不同夾角時上下游流場進行仿真。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裝置與河岸夾角越小，攔油效果越好，但綜合考慮裝置的攔油效率及經(jīng)濟適用性，安放位置為與河岸夾角45°處最佳。

南水北調(diào)中線干渠；浮油攔截；Fluent；流場分析；安放位置

南水北調(diào)中線干線工程總干渠全長1432 km，有效地緩解了華北地區(qū)的用水壓力。然而由于沿渠閘站機電設(shè)備長期運行，設(shè)備內(nèi)油類污染物出現(xiàn)外泄或滲漏等原因，在渠道表面出現(xiàn)浮油；此外，跨渠公路橋梁運輸油類及化學(xué)藥品等發(fā)生交通事故也導(dǎo)致了泄露。渠道中的水主要為沿岸居民生產(chǎn)生活用水，水質(zhì)的污染不僅會影響自來水廠對水的凈化，而且會危及人類的身體健康，因此針對這類突發(fā)性事件及時清除輸水渠道中的油類及化學(xué)藥品污染物質(zhì)至關(guān)重要[1-5]。

1 浮油清除方法及原理

浮油清除方法有化學(xué)方法、生物處理法和物理法等。吳慶之[6]較為詳細地介紹了化學(xué)消油劑的作用機理和應(yīng)用狀況，并指出按表面活性劑的類型，可將消油劑分為靠電解質(zhì)進行油污降解的離子型消油劑，和靠本身的溶解分子進行降解作用的非離子型消油劑。隨著深入了解，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了消油劑的弊端，其使用會破壞生態(tài)環(huán)境的平衡并造成二次污染。劉遷[7]以除油率為優(yōu)化目標(biāo)，以磁場強度、作用時間為設(shè)計參變量，通過對可用于標(biāo)定除油率的三個相關(guān)參數(shù)的測量，研究了某種混合菌群降解石油的機理和提高降解效率的途徑。雖然利用合適的微生物進行水中有機污染物的降解，高效、二次污染小又可以達到理化處理方式無法達到的處理效果，但是不同種類微生物的生存環(huán)境有所不同，某種降解微生物在一種生態(tài)環(huán)境下的污染源降解效果良好，可能對另一種生態(tài)環(huán)境下的同種污染源就無法進行降解，環(huán)境對降解微生物的抑制作用也比較明顯，因此利用微生物除油受到了一定程度的限制。

南水北調(diào)中線干渠油類污染的特點是有突發(fā)性且水面浮油厚度小面積大，不易采用直接抽吸法清除。根據(jù)油水的比重不同（水大油小）、且互不相容這一物理特性，對渠道中的浮油按照先攔截后清除方法進行物理處理[8]。據(jù)此設(shè)計了一種適用于南水北調(diào)中線干渠的圍欄式浮油攔截收集裝置，該設(shè)備斜跨干渠兩岸，當(dāng)水面出現(xiàn)浮油時，浮油隨水流沿著渠道流動，遇到承載浮體上游設(shè)置的攔油板，沿著攔油板導(dǎo)流方向匯聚在渠道一側(cè)，如圖1所示，再利用該側(cè)河岸收集裝置收集污物，達到先攔截后收集清除的目的。該攔油裝置同時還可以作為兩岸通勤、水質(zhì)檢測采樣點、應(yīng)急搶險運輸物質(zhì)等裝備。

圖1 整體布局圖及局部放大圖

浮油攔截裝置采用導(dǎo)流裝置為攔油板，依靠浮體承載漂浮在水面上。浮體與浮體之間通過兩端耳板銷軸串聯(lián)連接，可有效減輕攔導(dǎo)設(shè)施水平方向上的彎曲。該裝置通過渠岸兩側(cè)的數(shù)根錨繩固定于兩岸相應(yīng)的錨固墩上，其布設(shè)形式與水流方向呈一傾斜的夾角。渠面比較寬（一般20～50 m），攔油裝置安放角度直接決定了承載浮體和攔油板的長度，同時對攔油效果產(chǎn)生很大影響。目前雖然對攔油和抽油裝置有一定的研究，但是對安放角度還沒有相關(guān)研究[8-13]。

2 基于Fluent流場分析的浮油攔截裝置上下游流場研究

2.1 離散模型的建立

以南水北調(diào)中線某節(jié)制閘前渠道為模型。該渠道水面寬32 m，渠底寬度9.5 m，邊坡坡度1:2.5，設(shè)計水深4.5 m，相鄰兩節(jié)制閘間距100多千米。浮油攔截裝置的槽形攔油板厚度10 mm、高度80 mm。分析浮油攔截裝置前后液體流場穩(wěn)定性。由于渠道長度和寬度較大，渠岸對流場影響較小，渠道模型以1:25比例縮小，水流速度不變，忽略風(fēng)速和風(fēng)向的影響。由于油膜很薄，忽略不計，按照水的性能處理。干渠上攔冰、節(jié)制閘等對攔油板前后流場的影響忽略不計。

浮油受到浮體上游攔油板的攔截，會沿著攔油板傾斜方向流動匯聚在攔油板與渠岸交匯處。進行流場分析時，只需觀察承載浮體和攔油板上下游水的流態(tài)即可。根據(jù)實際情況將模型簡化為長、上底、下底、高分別為5000 mm、1280 mm、380 mm、180 mm的梯形體。利用ANSYS Workbench平臺中的Fluent分析模塊，直接采用從上到下的建模方式建立三維實體模型，選擇四面體單元劃分網(wǎng)格，共計329398個單元[14-15]。其中邊界條件設(shè)置為：渠道上游為流體入口（inlet），下游為出口（outlet），兩側(cè)邊坡及攔油板和浮體為“wall”，如圖2所示。以水流速＝3.0 m/s加載，通過改變夾角大小來模擬攔油裝置的不同安放位置，仿真模擬攔油裝置上下游水流變化，從而得到浮油攔截裝置的最佳安裝角度。

圖2 流場邊界條件圖

2.2 模擬結(jié)果與分析

攔油板與渠岸夾角分別為30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°及90°時，攔油板前流場特點如表1所示，得到的速度矢量圖及流線圖如圖3和圖4所示。可以看出，攔油板與河岸夾角越小，攔油板前水的流態(tài)越穩(wěn)定，更有利于渠道表面油污的匯聚，所以當(dāng)＝30°時水的流態(tài)最穩(wěn)定。而最終確定攔油裝置與河岸夾角除了考慮到水的流態(tài)之外，還需要考慮到油污被攔截后的收集效率以及浮油攔截裝置的長度問題。夾角越小，也就是攔油裝置越長，其投資就越大，并且兩岸通勤、物資運輸花費時間越長。綜合考慮各種影響因素，選擇油污攔截裝置與渠岸夾角為45°時較合適。

表1 不同安放角度α攔油板前流場特點

圖3 攔油裝置不同位置時流場表面速度矢量圖

圖4 攔油裝置不同位置時流場速度流線圖

3 小結(jié)

根據(jù)南水北調(diào)中線干渠水源為飲用水的特性，選擇物理攔截方法來處理河面的油類污染物。首先以中線干渠某節(jié)制閘前渠道為模型，根據(jù)實際情況對模型進行簡化并繪制三維圖；然后利用ANSYS Workbench平臺中的Fluent模塊對攔截裝置的三維實體模型進行了流場分析，得出了該裝置的最佳安裝位置為傾斜角45o時的最佳模型。該設(shè)備已經(jīng)投入應(yīng)用4年多，通過浮油攔截實驗及日常的交通通勤、物資運輸，設(shè)備運行狀態(tài)良好。

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[14]劉斌. Fluent 19.0流體仿真從入門到精通[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2019.

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Research on the Fixed Position of Oil Slick Interceptor in the Main Canal of the Mid-route of the South-to-North Water Diversion Project

WU Linfeng，LIU Yibo，WANG Wen，F(xiàn)AN Yufan

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

With the operation of the Mid-route of the South-to-North Water Diversion Project, oil pollutants is appearing on the surface of the channel due to various reasons such as the leakage of oil pollutants in the electromechanical equipment along the route. This kind of pollution has a great impact on drinking water, which calls for the removal of the oil pollutants from water. According to the actual situation of the main canal of the mid-route of the South-to-North Water Diversion Project, an oil slick interception equipment is developed. The equipment is placed diagonally across the water surface of the main canal at a certain angle with the canal bank. By using the Fluent module on the ANSYS Workbench platform, the upstream and downstream flow fields are simulated when the interception equipment and the main channel are at different angles. It is found that the smaller the angle between the equipment and the river bank is, the better the oil interception performs. Considering the oil interception efficiency and economic applicability, the optimal angle is determined to be 45°.

main canal of the mid-route of the south-to-north water diversion project；oil slick interception；Fluent；flow field analysis；fixed position

TV91；X383

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.005

1006－0316 (2021) 03－0028－05

2020－08－17

水利部公益性行業(yè)科研專項（201201074）；河南省重點科技攻關(guān)項目（152102210110，162102210082）

吳林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為水利機械設(shè)計及振動，E-mail：327644048@qq.com；劉易博（1996－），女，河南鄭州人，碩士，主要研究方向為機械設(shè)計及有限元分析。