趙毅山 (同濟大學工程力學與技術(shù)系)
韋鶴平 鄧曉林 (同濟大學環(huán)境工程學院)

　　摘要 結(jié)合上海市污水治理二期工程，介紹排海工程中擴散器水力計算的新方法，通過控制擴散器三通及噴頭局部阻力系數(shù)，使各上升管出流量不均勻分配，數(shù)學模型計算結(jié)果與物理模型實測值非常吻合。
　　關(guān)鍵詞 污水排海 擴散器 非均勻分配 數(shù)模計算

　　上海市污水治理二期工程是我國迄今為止最大的污水治理工程，建設(shè)此項工程的主要目的是為了減緩黃浦江上游水質(zhì)污染。該工程設(shè)計旱流污水量為170×10.4 t/d，污水經(jīng)預處理后排入長江口白龍港流域。?
　　排放口初步設(shè)計方案利用管徑4 200 mm放流管將170×10.4 t/d污水通過202.5 m長的擴散器潛沒多孔均勻排入白龍港水域，排放口水域5年一遇設(shè)計水位為5.18 m，最低水位-0.6 m，上升管噴口頂部高程為-3.257～-6.537 m。在白龍港排放口位置、放流管長度、擴散器長度及水深、水文等外界環(huán)境條件都已確定的條件下為了充分利用排放口的水流條件和環(huán)境水體的稀釋能力，提高近區(qū)初始稀釋度，要對初步設(shè)計方案進行優(yōu)化，將擴散器多根上升管(見圖1)流量不均勻分配，即近岸上升管分配以較少的污水量，離岸上升管分配以較多的污水量，且使水頭損失合理。通過多方案多工況的數(shù)值模擬，得到擴散器最佳形式。

1 公式建立

　　建立擴散管0-0斷面與第i根上升管的伯努利方程(見圖1)：?

　　
　　式中　Q_i --- 擴散管內(nèi)流量?
?　　　　d_i --- 上升管直徑?
?　　　　q_i --- 上升管流量?
?　　　　a_i--- 上升管面積?
?　　　　D --- 擴散管直徑?
?　　　　A --- 擴散管面積?
?　　　　L --- 兩上升管之間的擴散管長?
?　　　　l --- 上升管長?

　　ζ_i,i為擴散管水流進入上升管的阻力系數(shù)，即三通阻力系數(shù)，是通過物理模型試驗獲得的^[1]，三通的局阻為ζ_i,i乘擴散管流速水頭，即

　　ΔH三通=ζ_{i,i×(v擴散器²/2g)}

　　ζ_i為噴頭淹沒流阻力系數(shù)；噴頭的局阻為ζ_i乘上升管流速水頭，即

　　
　　由于已知三通及噴頭的局部阻力系數(shù)，進行擴散器的水力模型計算時，先假定第一根上升管的出流量，根據(jù)方程組(3)算出各個上升管的出流量，如果算出的上升管總流量與實際流量不符合，則對第一根上升管的出流量按一定規(guī)律重新假定，再重新進行計算，直到算出總流量與實際總流量誤差在一定范圍以內(nèi)。?

2 計算框圖

　　由上述數(shù)學模型推導，根據(jù)公式(3)編制計算程序，其計算框圖如圖2。

3 數(shù)學模型驗證

　　利用物理模型試驗數(shù)據(jù)對數(shù)學模型進行驗證，其中實測各上升管流量、水頭損失以及計算各上升管流量、水頭損失如圖3所示。

　　由圖3可以看出，各上升管出流量呈不均勻分配，即近岸上升管出流量小，遠岸上升管出流量大；數(shù)學模型計算值與實測值非常吻合，兩者誤差在10％以內(nèi)，說明數(shù)學模型的計算結(jié)果是可信的，可以用于擴散器水力計算。

4 優(yōu)化設(shè)計方案之一

　　擴散器直徑為1.1m的上升管共11根，每只噴頭分別設(shè)噴口8mm×290mm(1排)三只、16mm×250 mm(2排)四只以及16 mm×270mm(2排)四只，計算結(jié)果如圖4所示。?

5 結(jié)論

　　① 通過控制擴散器三通及噴頭局部阻力系數(shù)，可以達到各上升管不均勻出流；流量分配格局可以通過改變噴頭噴口個數(shù)以及噴頭噴口孔徑作有效的控制，在上升管管徑不變的情況下，改變噴頭形式是控制上升管流量有效和可行的方法；噴口孔徑越小、噴口個數(shù)越少，相應上升管出流量越小。?
　　② 利用物理模型對數(shù)學模型進行驗證，發(fā)現(xiàn)計算值與實測值吻合。在大部分情況下，計算的上升管出流量與實測的上升管出流量誤差在10％以內(nèi)，有的甚至達到5％左右，即數(shù)學模型是可靠的。
　　③ 優(yōu)化設(shè)計方案實現(xiàn)了上升管流量不均勻分配；水頭損失、噴頭射流速度、擴散器內(nèi)水力條件與原設(shè)計基本上一致，即防止海水入侵的條件基本相似。

參考文獻

　　1 韋鶴平，趙毅山等. 上海市污水治理二期工程優(yōu)化擴散器工程參數(shù)研究報告. 上海：同濟大學環(huán)境學院，1998?
　　2 徐正凡等. 水力學. 北京：高等教育出版社，1986
　　3 張永良等. 污水海洋處置技術(shù)指南. 北京：中國環(huán)境科學出版社，1996?
　　4 Don J Word et al. Modeling pipe networks dominated by junctions.Joumal of Hydraulic Engineering,1993；119(8)?
　　5 Richard L,Stockstill et al. Hydraulic calculation for flow in lock manifolds.Joumal of Hydraulic Engineering,1991；117(8)?

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作者簡介：趙毅山 男 38歲 碩士 講師
通訊處：200092 上海四平路1239號 同濟大學工程力學與技術(shù)系
(收稿日期 1998-06-12)