清水池水力效率影響因素研究

朱智勇

[上海城投興港投資建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，上海市 201306]

0 引言

所有飲用水水廠中，清水池均是不可缺少的構(gòu)筑物，具有水力調(diào)節(jié)和消毒接觸的雙重作用。優(yōu)化清水池水力條件，使清池內(nèi)水流盡量活塞流，能夠提高消毒效率。根據(jù)Collins-selleck 滅活模型以及美國(guó)《地表水處理法則》，CT 值是實(shí)用的預(yù)測(cè)消毒效果的控制參數(shù)[1]。t10/T 則是反映短流程度的指標(biāo)，其值越接近1.0 則清水池流態(tài)越接近活塞流，流態(tài)也就越理想，水力效率t10/T 也就越高[2]。有些清水池由于存在短流，t10/T 大多僅在10%～15%，水力條件亟待優(yōu)化。

傳統(tǒng)的示蹤方法可被用于探求清水池的t10/T。近年，有學(xué)者在中試試驗(yàn)中以NaCl 等為示蹤劑進(jìn)行了研究[3-4]。但是，通過示蹤試驗(yàn)測(cè)定清水池時(shí)間分布函數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且有時(shí)限于現(xiàn)場(chǎng)條件可能無法實(shí)現(xiàn)。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）全尺寸建模和數(shù)值仿真，可以便捷快速的模擬每一個(gè)工況下的水力條件及t10/T，甚至揭示單個(gè)顆粒停留時(shí)間和運(yùn)行軌跡等[5]。因此，基于CFD，研究清水池優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)寬比、隔板數(shù)量等影響因素，分析水力參數(shù)，為清水池的改造、新建和設(shè)計(jì)提供技術(shù)方法。

1 工程實(shí)例

實(shí)際清水池體積1 萬m3，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：長(zhǎng)50 m，寬48 m，水深4 m，；廊道寬8 m，彎道寬4 m；進(jìn)水管和出水管均為DN1000。

2 主要影響因素及數(shù)值模擬工況

2.1 主要影響因素

結(jié)合清水池工程設(shè)計(jì)中常用的技術(shù)手段，主要影響因素如下：

（1）隔墻數(shù)/長(zhǎng)寬比

通過增設(shè)隔墻，廊道總長(zhǎng)度和寬度的比值，即長(zhǎng)寬比也隨之改變。一般，隔墻數(shù)越多，長(zhǎng)寬比越大。以同樣平面尺寸的清水池，隔墻分別為2、3、4、5 和11，則長(zhǎng)寬比分別為9、17、26、38 和150。

（2）進(jìn)水方式

清水池的進(jìn)水方式直接影響水流入池的能量轉(zhuǎn)化和速度分布均勻性。實(shí)例中，進(jìn)水管采用單管DN1000，流速0.74 m/s。其他進(jìn)水方式，例如雙管DN700、增設(shè)穿孔墻、溢流或單管DN1500 等作為對(duì)比，分析進(jìn)水方式對(duì)水力效率的影響。

（3）彎道寬度

工程實(shí)例中，廊道寬8 m，轉(zhuǎn)彎處寬4 m。以彎道寬度8 m 作對(duì)比，分析彎道寬度不同引起的水流特征對(duì)水力效率的影響。

（4）彎道數(shù)量

通過改變清水池平面布置，由48 m×50 m 變?yōu)?4 m×100 m，相應(yīng)減少轉(zhuǎn)彎次數(shù)，研究轉(zhuǎn)彎數(shù)量對(duì)水力效率的影響。

2.2 數(shù)值模擬工況

按照主要影響因素，設(shè)置各工況結(jié)構(gòu)參數(shù)。以Fluent 對(duì)各個(gè)工況分別進(jìn)行建模和模擬，分析水力效率t10/T 的變化。建模參數(shù)按文獻(xiàn)[6]設(shè)置。其中，穿孔墻距進(jìn)水口5 m，受過水?dāng)嗝嫦拗?，孔口?50 mm×250 mm，間距均為250，共64 個(gè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 長(zhǎng)寬比對(duì)t10 /T 影響

對(duì)于清水池，不同隔墻數(shù)對(duì)應(yīng)不同的長(zhǎng)寬比。不同工況下的t10/T 和停留時(shí)間分別見圖1、圖2。

圖1 長(zhǎng)寬比對(duì)t10 /T 的影響

圖2 不同長(zhǎng)寬比下的停留時(shí)間分布函數(shù)

由圖1 可知，增加隔墻導(dǎo)致長(zhǎng)寬比增加后，t10/T隨之增大。長(zhǎng)寬比變大到26 以上，t10/T 的增大趨勢(shì)顯著變緩。以水力效率0.5 衡量，按模擬趨勢(shì)線法，長(zhǎng)寬比26 以上。

圖2 表明，隨長(zhǎng)寬比增大，W（t）曲線在1000～6000 s 區(qū)間逐漸變陡，這表明進(jìn)口管釋放的顆粒越來越集中流出清水池。例如，長(zhǎng)寬比150 時(shí)，顆粒集中在2000～4000 s 出流，時(shí)間段明顯縮短。4000 s時(shí)，顆粒出流累積概率近96.5%。

3.2 進(jìn)口方式對(duì)水力效率影響

針對(duì)進(jìn)水管直徑、根數(shù)和增設(shè)穿孔墻等不同的進(jìn)水條件，研究進(jìn)口方式對(duì)水力效率對(duì)影響，結(jié)果見圖3。不同進(jìn)水條件下，各工況的累積停留時(shí)間分布函數(shù)F（t）見圖4。

圖3 進(jìn)口方式對(duì)t10 /T 的影響

圖4 不同進(jìn)口方式下的累積停留時(shí)間分布函數(shù)

由圖3 可知，不同的進(jìn)口方式對(duì)水力效率的影響較明顯，相差最大近0.2。各模擬工況下，單根DN1000 的水力效率比穿孔墻和溢流更好。DN1500時(shí)，略好于DN1000，后者卻更經(jīng)濟(jì)。模擬中，加設(shè)穿孔墻后水力效率反而降低，原因可能在于：受過水?dāng)嗝鎯H8 m×4 m 的限制，穿孔墻孔口過孔流速0.14 m/s，大于0.1 m/s，且距進(jìn)水口沒能足夠遠(yuǎn)，導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)展不充分。兩根DN700 流速同單根DN1000，但是t10/T 變差。

圖4 表明，所有工況中，DN1500 的t10最長(zhǎng)。對(duì)于設(shè)計(jì)采用的單根DN1000 工況，停留時(shí)間密度較集中。

3.3 彎道寬度對(duì)水力效率影響

彎道寬度8 m 工況下顆粒出流頻數(shù)和累積概率見圖5。彎道4 m 時(shí)，水力效率為0.537，彎道擴(kuò)至8 m 后t10/T 減少至0.444。

圖5 8 m 彎道下顆粒出流頻數(shù)和累積概率

分析圖5 可知，彎道寬度增大到8 m 后，集中出流的3000～4000 s，顆粒數(shù)量比4 m 彎道時(shí)略有減少，約120 個(gè)，因此，該工況下的水力效率有所減小。

3.4 彎道數(shù)量對(duì)水力效率影響

清水池平面由50 m×48 m 改為100 m×24 m后，彎道數(shù)量由5 個(gè)減少至2 個(gè)。清水池100 m×24 m工況下顆粒出流頻數(shù)和累積概率見圖6。

圖6 2 個(gè)彎道下顆粒出流頻數(shù)和累積概率

如圖6 所示，集中出流的3000～4000 s，顆粒數(shù)量增加約40 個(gè)。因此，水力效率有所增加，平面50 m×48 m 時(shí)，水力效率為0.537，改為100 m×24 m后t10/T 略增至0.561。但彎道數(shù)量的影響相比于長(zhǎng)寬比要明顯變小，這表明彎道數(shù)量并非影響水力效率的最關(guān)鍵因素。

6 結(jié)語

該文以CFD 數(shù)值模擬，分析了影響清水池水力效率主要因素，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)實(shí)例的預(yù)期效果，得出以下結(jié)論：

（1）各主要影響因素中，長(zhǎng)寬比對(duì)水力效率影響最為明顯，彎道寬度和數(shù)量以及進(jìn)水方式并非影響t10/T 的最重要因素。

（2）t10/T 隨L/W 增大而增大，但變大放緩。清水池實(shí)例的長(zhǎng)寬比為38，此時(shí)t10/T 為0.54，可以滿足t10/T 不少于0.5 的設(shè)計(jì)要求。

（3）減少彎道數(shù)量和增大進(jìn)水管管徑，均可使t10/T有所增加，但增大幅度和效果并不明顯。