趙毅山 (同濟(jì)大學(xué)工程力學(xué)與技術(shù)系)
韋鶴平 鄧曉林 (同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)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(kuò)散器水力計(jì)算的新方法，通過(guò)控制擴(kuò)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(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理模型實(shí)測(cè)值非常吻合。
　　關(guān)鍵詞 污水排海 擴(kuò)散器 非均勻分配 數(shù)模計(jì)算

　　上海市污水治理二期工程是我國(guó)迄今為止最大的污水治理工程，建設(shè)此項(xiàng)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(jì)旱流污水量為170×10.4 t/d，污水經(jīng)預(yù)處理后排入長(zhǎng)江口白龍港流域。?
　　排放口初步設(shè)計(jì)方案利用管徑4 200 mm放流管將170×10.4 t/d污水通過(guò)202.5 m長(zhǎng)的擴(kuò)散器潛沒(méi)多孔均勻排入白龍港水域，排放口水域5年一遇設(shè)計(jì)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(zhǎng)度、擴(kuò)散器長(zhǎng)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(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，將擴(kuò)散器多根上升管(見(jiàn)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(guò)多方案多工況的數(shù)值模擬，得到擴(kuò)散器最佳形式。

1 公式建立

　　建立擴(kuò)散管0-0斷面與第i根上升管的伯努利方程(見(jiàn)圖1)：?

　　
　　式中　Q_i --- 擴(kuò)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(kuò)散管直徑?
?　　　　A --- 擴(kuò)散管面積?
?　　　　L --- 兩上升管之間的擴(kuò)散管長(zhǎng)?
?　　　　l --- 上升管長(zhǎng)?

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

　　ΔH三通=ζ_{i,i×(v擴(kuò)散器²/2g)}

　　ζ_i為噴頭淹沒(méi)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(jìn)行擴(kuò)散器的水力模型計(jì)算時(shí)，先假定第一根上升管的出流量，根據(jù)方程組(3)算出各個(gè)上升管的出流量，如果算出的上升管總流量與實(shí)際流量不符合，則對(duì)第一根上升管的出流量按一定規(guī)律重新假定，再重新進(jìn)行計(jì)算，直到算出總流量與實(shí)際總流量誤差在一定范圍以內(nèi)。?

2 計(jì)算框圖

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

3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

　　利用物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其中實(shí)測(cè)各上升管流量、水頭損失以及計(jì)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(yuǎn)岸上升管出流量大；數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常吻合，兩者誤差在10％以內(nèi)，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果是可信的，可以用于擴(kuò)散器水力計(jì)算。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案之一

　　擴(kuò)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(jì)算結(jié)果如圖4所示。?

5 結(jié)論

　?、? 通過(guò)控制擴(kuò)散器三通及噴頭局部阻力系數(shù)，可以達(dá)到各上升管不均勻出流；流量分配格局可以通過(guò)改變噴頭噴口個(gè)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(gè)數(shù)越少，相應(yīng)上升管出流量越小。?
　?、? 利用物理模型對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合。在大部分情況下，計(jì)算的上升管出流量與實(shí)測(cè)的上升管出流量誤差在10％以內(nèi)，有的甚至達(dá)到5％左右，即數(shù)學(xué)模型是可靠的。
　　③ 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了上升管流量不均勻分配；水頭損失、噴頭射流速度、擴(kuò)散器內(nèi)水力條件與原設(shè)計(jì)基本上一致，即防止海水入侵的條件基本相似。

參考文獻(xiàn)

　　1 韋鶴平，趙毅山等. 上海市污水治理二期工程優(yōu)化擴(kuò)散器工程參數(shù)研究報(bào)告. 上海：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，1998?
　　2 徐正凡等. 水力學(xué). 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(guó)環(huán)境科學(xué)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(jiǎn)介：趙毅山 男 38歲 碩士 講師
通訊處：200092 上海四平路1239號(hào) 同濟(jì)大學(xué)工程力學(xué)與技術(shù)系
(收稿日期 1998-06-12)