用于供水管網二次加氯后混合管件的數值優化研究

何 盼，張 峰，崔建國，程亞峰

(1.太原理工大學環境科學與工程學院，太原 030024；2.山西省市政工程研究生教育創新中心，太原 030024；3.太原普可佳工程設計有限公司，太原 030024)

近年來，管網二次加氯技術已經開始逐漸成為中、大型城市供水管網設計及實施時可供選擇的消毒方案[1,2]。在對管網間加藥點位置和數量確定、各點投加量優化、二次加氯的運行控制等方面都取得了一定成果后[3,4]，國內外技術人員也開始對二次加氯后藥劑與水的混合特性以及水質變化規律表現出濃厚的興趣[5]。

目前國內現已實施的二次加氯管網系統中，基本采用不設混合部件的自由擴散形式，造成藥劑分布均勻性和穩定性相對較差，影響了消毒效率和水質。考慮到在網間加氯點后采用傳統的在過流斷面中央設置固定混合元件，會造成阻流面積較大，帶來較大的水頭損失，給水廠增壓系統帶來較大的改造工程量。因此，有必要研究開發用于管網二次加氯后快速、低損的混合裝置。

圓管螺旋流是同時具有軸向、切向及徑向速度分量的三維流動[6]。在水利領域，利用螺旋流低耗輸送固粒的作用已有較為廣泛的應用[7,8]。在市政工程領域，在管網中安裝管內壁上帶有扭曲導流葉的混合管件，利用螺旋流產生紊流擴散從而促進藥劑混合，無論從設計、安裝和管理的角度，都可方便地提高多點加氯的混合效果。在混合管件的設計選型過程中，由于管件內部流場較為復雜，理論求解較為困難。隨著CFD技術的發展，采用數值計算來分析混合器內部流場和混合性能已得到廣泛的認可。A Paglianti等[9]利用CFD技術對波紋板型混合器內部的混合元件的排列方式進行了優化，降低了混合器的壓降損失，并通過實驗進行了驗證，2者有較好的吻合。偶國富等[10]建立了水、油、氣三相流葉片式靜態混合器物理模型，采用Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型進行了CFD計算，分析了葉片式混合器內的多相流流動特性，模擬得出的進出口壓降與實驗相吻合，驗證了計算結果的可靠性。

本文在螺旋流特性的研究基礎上，建立了混合管件的物理模型，針對混合管件內葉片的結構參數，對其內部多相流動特性進行了數值分析，獲得了速度、壓力和次相分率等流體動力學參數，探究了混合管件的混合機理，并利用橫斷面上的不均勻系數COV對混合器混合效果進行表征。研究結果為快速、低損混合管件優化制造提供參考。

1 混合裝置計算模型

1.1 物理模型

混合裝置結構見圖1，包括帶有扭曲導流葉的混合管件及管件前段設有加藥管的輸水管。計算過程中，取DN=100 mm的混合管件研究其對藥劑的混合效果及影響因素。混合管件的構造見圖1，管件內部壁面等弧長安裝若干個導流葉，導流葉安裝時長邊與管壁固定相連，短邊嚴格垂直于固定點處的管壁切線，即短邊是沿徑向指向管道軸線。導流葉是把長方形板條前端固定，在板條尾端施加作用力扭轉一定角度而成，避免了水流在進入混合管件時與導流葉之間形成夾角，造成能量損失。在計算過程中，定義導流葉短邊的長度為導流葉的高度，導流葉前端與尾端的夾角為導流葉的包角。

1-水流入口；2-藥劑入口；3-混合管件；4-導流葉；5-法蘭片；h-導流葉高度；L-混合管件周長；α--導流葉包角圖1 混合裝置結構Fig.1 Schematic diagram of mixing device

1.2 基本控制方程

Mixture模型可用于2相流或多相流的問題，該模型適用于強烈耦合且各相具有不同速度的多相流[11]。本文利用Mixture模型求解混合相的連續性方程、動量方程、次相體積分數來實現主相和次相的數值模擬，其中主相為水，密度和動力黏度分別為998.2 kg/m3和0.001 003 kg/(m·s)；次相為 NaCLO溶液，密度和動力黏度分別為1 100 kg/m3和0.001 316 kg/(m·s)。模型的控制方程如下[12]。

(1)連續性方程：

(3)

(2)動量方程：

(4)

式中：F是體積力；g為重力加速度；μm是混合黏性。

(3)次相體積分數方程：

(αpρp)+▽·(αpρpvm)=-▽·(αpρpvdr,p)

(5)

1.3 計算模型及邊界條件

利用ICEM CFD對幾何模型進行網格劃分，混合管件和加藥段采用非結構化網格，其余部分采用結構化網格。為消除網格數對模擬效果的影響，將幾種不同的網格尺度進行對比，最終確定網格數約為230 萬個。湍流模型采用Realizablek-ε模型。選用Fluent求解器，其主要參數設置為：動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風格式進行離散，體積相分率采用一階迎風格式進行離散。計算域的入口均采用速度進口，出口采用自由出口(Outflow)。湍流特征以湍流強度和水力直徑的形式輸入，采用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合計算，壁面按固定無滑移條件處理。

2 計算結果分析

2.1 混合機理分析

當流體在流經混合管件時，導流葉對流體產生了阻力使混合管件入口處管壁附近的壓力升高，使靠近管壁處的流體向管中心處擠壓，使得管軸處流體的軸向流速加快，同時由于導流葉迎水面承受的壓力大于導流葉背水面所承受的壓力，壓力差使管道內的流體產生扭曲。流體在這2種力的共同作用下產生了旋轉運動，由先前的平直流態轉變成了同時具有軸向、周向和徑向速度的流態，使得流體的速度梯度指向不同，增加了整個流場流動無序性，增大了高濃度和低濃度流體之間的接觸面積，引發了管道內2種流體的紊動擴散，從而加快了藥劑的混合速度。

對混合管件出口截面速度分布分析可知(見圖2)，由于導流葉片的迎水面與背水面的壓力差，促使流體從高壓區流向低壓區，與導流葉碰撞后改變了速度方向，形成回流。此外在導流葉片靠近管軸心位置處，導流葉片對流體的作用力使流體產生漩渦流動(見圖2中橢圓區域)，促進了管道中心處與管壁處流體的對流，提高了徑向流動的混合效果。

圖2 混合管件出口截面速度分布Fig.2 Velocity distribution of outlet section of mixed pipe

對流體在經過混合管件后混合發展的全過程進行分析(見圖3)，在流體剛流出混合管件(Z=1 m)處，沒有完全混合的2種流體之間分層比較明顯，但此時流體已具有軸向、周向和徑向這3個方向的速度，使得流體以螺旋型向前繼續流動，2相之間的相互滲透和擾動持續進行，周向速度的生成，使流體受到離心力的作用，加強了流體的紊動性能，2相流體之間的體積分布也越來越均勻。隨著管壁的摩擦阻力使得流體的旋流運動分量沿程衰減，湍流強度也逐漸減弱，對次相分布的擾動作用也慢慢變弱，在Z=5 m處能達到充分發展的狀態。

圖3 管道橫截面上不同距離處的次相分率云圖Fig.3 Secondary phase fraction of the pipe cross-section

2.2 混合效果的分析

采用不均勻系數COV來衡量管道截面的分布混合效果，COV值越小表示混合效果也越好[13]。COV計算式如下：

(7)

(1)導流葉個數對混合效果的影響。固定導流葉包角及導流葉高度，分析不同導流葉個數條件下出口截面的COV發現(見圖4)，導流葉個數對水流的起旋運動的產生有著重要的影響。當導流葉個數為2個時，混合管件出口處截面的 最低。這可能是因為導流葉個數過多會阻礙混合管件內部藥劑的橫向擴散，導致局部區域濃度偏高。無論導流葉個數多少，隨著流動的充分發展，螺旋流動沿程衰竭，湍流強度降低，不均勻系數變化的趨勢都越來越平緩。但導流葉個數越多，混合管件后流體產生的旋流運動也越充分，提高了多相流隨后的混合效果，斷面COV下降得也越快。當導流葉個數為3個時，在出口5 m處COV值即可達到0.118，有較好的混合效果。

圖4 導流葉個數對混合效果的影響Fig.4 Influence of guide vane number on mixing effect注：導流葉包角30°，導流葉高度為35 mm。

(2)導流葉包角對混合效果的影響。水流在經過混合管件后由平直流態轉變為螺旋流態，主要是因為管件內導流葉按特定方式進行了扭曲的緣故。固定導葉個數及導葉高度，分析不同導流葉包角條件下出口截面的COV發現(見圖5)，包角在20°～30°時，增加包角的度數，可提高相同截面上的混合效果。當包角度進一步增大時，相同截面上的混合基本穩定，對扭曲度數的變化不再敏感。這是因為導流葉的包角越大，導流葉對流體的周向以及軸向的作用力也就越大，從而使流體獲得較大的旋轉角速度和離心力，加劇了流體的紊動，促進多相流的混合。當葉片包角超過30°后，流體產生更大旋流強度的同時，相應的軸向阻流面積也越來越大，附加動能損耗也將會增加。因此，當導流葉包角超過30°后，繼續增加包角度并未進一步提升混合效果。因此，根據混合效果，30°可作為混合管件內導流葉包角的較佳數值。

圖5 導流葉包角對混合效果的影響Fig.5 Influence of wrap angle of guide vane on mixing effect注：導流葉個數3個，導流葉高度為35 mm。

(3)導流葉高度對混合效果影響。當固定導流葉個數和包角時，隨著導流葉高度的升高，同一斷面的混合效果也隨之提高(見圖6)。這是因為在管壁安裝帶有包角的導流葉片后，水流的旋流最開始是在邊壁處產生，由于水流黏滯性的作用逐漸向管軸中心處傳遞。當導流葉高度較低時，螺旋流動僅發生在管壁附近，而管軸處依然是平直流動。當導流葉片較高時，在管道內切入主流較深，產生的旋流運動也較強，使管軸處的流體與管壁附近的流體對流加強，提高了多相流的混合效果。

圖6 導流葉高度對混合效果的影響Fig.6 Influence of guide vane height on mixing effect注：導流葉個數3個，導流葉包角為30°。

2.3 壓力損失的分析

對于用于管網二次加氯后的混合管件來說，壓力損失是其重要參數之一，其關系著混合裝置的經濟效益與實際使用價值。混合管件造成的水流的壓力損失主要有2個原因：①管件內導流葉對水流的阻力；②水流壓能轉化成旋轉動能。對不同導流葉工況下的模型進行模擬計算得到混合管件進出口靜壓差見表1～表3，可看出混合管件對水流造成的壓力損失隨著導流葉個數、包角和高度的增大而增多，這主要由于隨著導流葉個數、包角與高度的增大，管內的螺旋流動越充分，湍流強度增強，流體紊動加劇，導流葉在管件內所占的軸向阻流面積變大，能耗增多，壓力損失增大。

表1 不同導流葉個數混合管件的壓力損失Tab.1 Pressure loss of mixing device with differentnumber of guide vane

注：導流葉包角30゜，導流葉高度為35 mm。

表2 不同導流葉包角混合管件的壓力損失Tab.2 Pressure loss of mixing device with differentwrap angle of guide vane

注：導流葉個數3個，導流葉高度為35 mm。

表3 不同導流葉高度混合管件的壓力損失Tab.3 Pressure loss of mixing device with differentheight of guide vane

注：導流葉個數3個，導流葉包角為30゜。

以仿真計算結果與行業同類產品比較發現，本研究所開發基于螺旋流混合特性的混合裝置混合水損相對較低。以目前使用較多的SK型混合器為例，當流體為湍流狀態時，入口速度為0.5 m/s，6個混合單元的SK型混合器壓損達到約2 430 Pa[14]。可見，本研究所開發裝置在對混合水損要求更高的管網間應用時，有著更強的適應性。

3 結 論

利用Fluent軟件中的Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型，分析了所構建的混合管件的混合效果及其影響因素，得出以下結論。

(1)流體在流過混合管件后能夠改變流體的流線，使流體從一維運動變為三維運動，并且在混合管件內形成漩渦，促進了流體的徑向擴散，增強了流體的紊動，提升了藥劑的混合效果。

(2)通過分析管道各個橫截面的不均勻系數COV值和壓損可知，導流葉個數為3個時，混合效果最佳，且壓力損失為157 Pa。導流葉包角為20°～30°，提高包角度能改善混合效果，當包角度超過30°后，混合器的混合效果趨于穩定。導流葉高度在0.2～0.35倍管徑時，導流葉高度越高，混合效果越好，但壓力損失也隨之增大。

(3)綜合混合管件對藥劑的混合原理和影響混合效果的因素，該類型混合裝置具有較好的混合效果和較低的水頭損失，以此為基礎所開發的混合裝置，在市政工程領域，特別是管網改造工程中，會有更好的適用性，為后續管網間藥劑的混合裝置的開發奠定理論基礎。

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