申请日2013.11.07
公开(公告)日2014.02.12
IPC分类号G06F17/50
摘要
本发明公开了一种基于物模试验与数值模拟的污水扩散器长度确定方法，包括以下步骤：步骤一、初步估算扩散器的长度;步骤二、确定扩散器中包含的上升管数量;步骤三、利用数值模拟进行污水扩散效果分析;步骤四、利用物理模型进行污水近区的扩散效果模拟;步骤五、扩散器的水力数值模拟;步骤六、扩散器的水力物理模型试验，水力特性好的长度即为最终确定的长度。本发明从污水扩散与水力出流两方面分析，弥补了传统方法过于单一，计算结果无法验证的缺陷，通过本发明方法确定的扩散器长度，能够保证污水的稀释扩散效果，也能实现污水的正常出流，能够保障排海工程的高效运行;同时本发明方法的结果能够为建设单位节约成本，具有良好的经济效益。
权利要求书
1.一种基于物模试验与数值模拟结合的污水扩散器长度确定方法，包括以下步骤：
步骤一、初步估算扩散器的长度：
根据初始稀释度要求和海流稀释能力，确定扩散器最小长度Lmin和扩散器最大长度 Lmax：
式(1)和式(2)中：S为初始稀释度;Qe为实测的污水最大流量，其单位是m3/s;H 为喷口距水面的距离，其单位是m;V为余流流速，其单位是cm/s;
步骤二、确定扩散器中所包含的上升管的数量：
在步骤一确定的扩散器最小长度Lmin和扩散器最大长度Lmax范围内，按照扩散器上上 升管间距为5～8米，确定几个不同长度的扩散器及其所包含的上升管的数量;
步骤三、利用数值模型进行污水稀释扩散效果的模拟：
利用丹麦水动力研究所的ΜΙΚΕ21模型对步骤二所确定的几个不同长度的扩散器进行 染污物稀释扩散效果模拟分析，从中优选出扩散面积大的3～6个不同长度的扩散器;
步骤四、利用物理模型进行污水近区的染污物扩散效果的模拟：
利用矩形水槽作为物理模型，对步骤三确定的3～6个不同长度的扩散器进行污水近区 内的污染物稀释扩散效果模型分析，从中优选出污染物稀释扩散效果好的2个不同长度的 扩散器;
步骤五、扩散器的水力数值模拟：
利用FLUENT软件对步骤四确定的2个不同长度的扩散器进行扩散器水力数值模拟， 判断上述2个不同长度的扩散器的主管流速是否大于不淤流速，喷口出流不均匀度是否小 于10%，将满足主管流速大于不淤流速，且喷口出流不均匀度小于10%的扩散器进行下一 步试验;
步骤六、扩散器的水力物理模型试验分析：
按照污水排放量、模型材料及试验场地的面积、供水、退水条件，选用几何比尺为1:5～15 的正态模型进行试验，水力特性好的扩散器的长度即为最终确定的长度。
2.根据权利要求1所述的基于物模试验与数值模拟结合的污水扩散器长度确定方法， 其中，步骤六中选用几何比尺为1:10的正态模型进行试验。
3.根据权利要求1所述的基于物模试验与数值模拟结合的污水扩散器长度确定方法， 其中，步骤六中的水力物理模型包括供水箱、供水管、阀门、水表、扩散器、测压管、退 水渠等组成;由供水箱供水，阀门控制流量，扩散器喷口流量的测量采用体积法进行，用 秒表计时，电子秤称重，电子秤的精度为0.1克。
说明书
基于物模试验与数值模拟结合的污水扩散器长度确定方法
技术领域
本发明涉及一种用于污水排放扩散器的设计，尤其涉及一种污水深海排放扩散器的设 计方法。
背景技术
污水深海排放是在严格控制排污混合区的位置和范围，符合排放水域的水质目标要 求，不影响周围水域使用功能和生态平衡的前提下，选定合适的排污口位置，选取设计合 理、运行可靠的污水排放方式，采取科学的工程系统措施，合理利用海域的净化能力，处 置污水的一种工程技术措施。即污水经过规定要求的预处理后，通过铺设于海底很长的放 流管，离岸输送到一定的水下深度，再利用有相当长度、具备特殊构造的多孔扩散器，使 污水与周围水体迅速混合，在尽可能小的范围内高度稀释，达到要求的标准，无严格控制 要求和自由乱排及无完整水下工程的岸边排放，都不是科学的污水海洋处置，不利于海洋 资源的合理开发利用。
而多孔扩散器作为整体污水排海工程的终端设施，是现代沿海城市污水排海工程中的 重要组成部分，是有别于早期污水排海工程的主要特征，也是实现海洋环境保护的重要设 施。在污水排海工程中，多孔扩散器的主要作用是通过它可以将污水均匀分散地排放到海 洋环境水体中去，因此扩散器可提供给污水极大的初始稀释，能够对海洋生态及水质起到 明显的保护作用。从目前已投入运行的污水排海工程来看，良好的多孔扩散器水力及结构 设计，已成为污水排海工程成功的关键因素。
对于整体污水海洋处置而言，终端扩散器是影响污水稀释扩散效果、保护海洋环境的 重要环节，直接体现污水深海排放工程的价值，而扩散器的长度是其结构设计过程中最重 要的参数，直接决定着污水出流的水力效果与稀释扩散程度，决定着整体污水海洋处置工 程的运行效果。
目前，国内外还没有关于扩散器长度设计的统一规范，不同地方的排海工程中扩散器 差别很大，目前国内外也有许多学者对于扩散器长度的确定进行了研究。何强、俞军等人 总结了以往的研究成果，提出便于环境管理而相对简便合理的计算方法，以求在确定扩散 器长度方面获得共识;徐高田、韦鹤平等人以嘉兴污水海洋处置工程为例，为了能满足设 计初始稀释度并降低工程费用，利用Jetlag3模型确定了其扩散器长度。计算结果表明，八 团(0～1500)扩散器长度取200～250m，场前(0+000)和场前(0+1400)扩散器长度取250～ 300m，能满足近区初始稀释度的要求;张光玉、詹水芬等人利用经验公式对惠州大亚湾一 期污水排海扩散器的长度进行了估算，考虑工程初始稀释度要求与海流稀释能力，扩散器 最小长度(考虑全部水深参与混合)公式为：扩散器最大长度(考虑 部分水深参与混合)公式为：其中S为初始稀释度，H为排放口 水深，Qe为流量，V为排放口周围余流流速，再根据工程海域执行水质标准确定了扩散器 具体长度;赵毅山等人结合上海市污水治理二期工程，介绍了排海工程中扩散器水力计算 的新方法，利用数值模拟计算的方法对工程的扩散器长度等参数进行了优化设计。
王超等从航运、施工、管理及水生生物回游等角度出发，提出采用多孔T型扩散器排 放污水，根据多孔射流发展规律，分析了T型扩散器排放近区流态特性，并通过数学模型 计算，预报型扩散器排放近区轴线流速，浓度及稀释度的沿程变化规律，得出了相对动量 和扩散器长度是影响污染物横向扩散的主要因素;王文喜、张瑞安等人根据N.N.Brooks经 验公式，考虑排污口周边水流、工程初始稀释度等条件，对烟台市污水排海工程扩散器长 度进行了估算。由此可见在实际工程中，影响扩散器长度的主要因素有污水日排放量、起 始稀释度、排放口水深以及水动力因素。根据以上分析可以看出，目前对于扩散器长度的 确定方法还没有统一的标准，计算方法也比较混乱，这种局面与排海技术的应用前景极不 相称。因此，污水排海扩散器长度确定的规范化、标准化成为推广污水排海技术所面临的 急需解决的问题。
综上所述，目前确定污水扩散器的长度大致有三种方法：
(1)纯经验确定，根据以往实例以及实际工程的日排水量、水深条件、初始稀释度， 直接确定扩散器的长度。这种方法可操作性较强，但是结果准确性和污水的出流效果难以 保证。
(2)根据经验公式计算确定，根据经验公式确定扩散器的长度范围，再根据经验进行 估算。这种方法比纯经验确定准确程度高，但污水出流效果与稀释扩散效果难以保证。
(3)数值模拟方法。这种方法是通过Jetlag、Gambit、Fluent等软件在计算机上进行 模拟计算，通过多种工况的分析确定扩散器的合理长度。这种方法虽然具有较强的科学性， 但是计算准确程度无法进行验证，且不同的软件计算结果偏差较大，结果在实际工况中不 能得到体现。
通过以上分析可以看出，目前对扩散器长度的确定方法比较单一，且各种方法都具有 一定的局限性。因此本项方法提出以经验公式为基础，结合数值模拟计算和物理模型试验 的技术方法，确定扩散器的长度。其中通过经验公式估算出扩散器的合理长度范围，利用 数值模拟计算不同长度条件下的扩散器污水出流效果与稀释扩散器效果，最后通过物理模 型试验进行验证分析。这种方法从污水稀释扩散与水力出流两方面进行分析，弥补了传统 计算方法过于单一，计算结果可靠性无法验证的缺陷，分析结论准确程度较高，既能保证 污水排海工程的稀释扩散效果，也能实现污水的正常出流，能够保障污水排海工程的高效 运行，是港口或沿海地区实施污水深海排放的重要技术保障。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种扩散器长度确定方法，通过数值模拟与物理模型 相结合的手段，提出更准确合理的污水扩散器设计长度，达到节约工程成本，保证工程运 行效果的目的。
为了解决上述技术问题，本发明一种基于物模试验与数值模拟结合的污水扩散器长度 确定方法，包括以下步骤：
步骤一、初步估算扩散器的长度：根据初始稀释度要求和海流稀释能力，确定扩散器 最小长度Lmin和扩散器最大长度Lmax：
式(1)和式(2)中：S为初始稀释度;Qe为实测的污水最大流量，其单位是m3/s;H 为喷口距水面的距离，其单位是m;V为余流流速，其单位是cm/s;
步骤二、确定扩散器中所包含的上升管的数量：在步骤一确定的扩散器最小长度Lmin和 扩散器最大长度Lmax范围内，按照扩散器上上升管间距为5～8米，确定几个不同长度的扩 散器及其所包含的上升管的数量;
步骤三、利用数值模型进行污水稀释扩散效果的模拟：利用丹麦水动力研究所的 MIKE21模型对步骤二所确定的几个不同长度的扩散器进行染污物稀释扩散效果模拟分 析，从中优选出扩散面积大的3～6个不同长度的扩散器;
步骤四、利用物理模型进行污水近区的染污物扩散效果的模拟：利用矩形水槽作为物 理模型，对步骤三确定的3～6个不同长度的扩散器进行污水近区内的污染物稀释扩散效果 模型分析，从中优选出污染物稀释扩散效果好的2个不同长度的扩散器;
步骤五、扩散器的水力数值模拟：利用FLUENT软件对步骤四确定的2个不同长度 的扩散器进行扩散器水力数值模拟，判断上述2个不同长度的扩散器的主管流速是否大于 不淤流速，喷口出流不均匀度是否小于10%，将满足主管流速大于不淤流速，且喷口出流 不均匀度小于10%的扩散器进行下一步试验;
步骤六、扩散器的水力物理模型试验分析：按照污水排放量、模型材料及试验场地的 面积、供水、退水条件，选用几何比尺为1:5～15的正态模型进行试验，水力特性好的扩散 器的长度即为最终确定的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首先根据现有经验公式和工程实际条件，对扩散器的长度范围进行估算，确定 合理的扩散器长度范围;其次根据确定的长度范围，结合上升管间距、上升管数量等参数， 提出几种不同长度(包括工况)的扩散器;再对不同长度及工况的扩散器进行数值模拟计 算，分析不同工况下污水的稀释扩散效果，得出稀释扩散效果最佳的3～6种长度方案，作 为物理模型试验的基础进行水槽物理模型试验分析，确定1～2种出流效果(也即污水近区 污染物释扩散效果)较好的扩散器长度方案;再通过水力数值模拟计算，分析上述1～2种 方案的水力特性是否满足要求;最后利用水力物理模型试验对水力数值计算的结果进行验 证分析，最终确定1种不但稀释扩散效果较好，并同时具备较好水力特性的扩散器长度。
综上，本项发明方法是在以往研究的基础上，通过经验公式计算、数值模拟、物理模 型试验相结合的手段，从污水稀释扩散与水力出流两方面进行分析，提出了新的扩散器长 度计算方法，弥补了传统的扩散器长度确定方法过于单一，计算结果可靠性无法验证的缺 陷。通过本发明方法确定的扩散器长度，其分析结论准确程度较高，能够保证污水的稀释 扩散效果，也能实现污水的正常出流，能够保障污水排海工程的高效运行;同时以往的方 法往往长度偏大，导致工程投资增加，通过本方法确定的扩散器长度方案不仅能够从环保 和水力出流角度满足要求，同时能够为实际工程降低成本，具有良好的经济效益，因此该 方法无论从科学性还是经济性上都具有一定的先进性。