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（集團）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筑物，具有水力調節和消毒接觸的雙重作用。優化清水池水力條件，使清池內水流盡量活塞流，能夠提高消毒效率。根據Collins-selleck 滅活模型以及美國《地表水處理法則》，CT 值是實用的預測消毒效果的控制參數[1]。t10/T 則是反映短流程度的指標，其值越接近1.0 則清水池流態越接近活塞流，流態也就越理想，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%，水力條件亟待優化。

傳統的示蹤方法可被用于探求清水池的t10/T。近年，有學者在中試試驗中以NaCl 等為示蹤劑進行了研究[3-4]。但是，通過示蹤試驗測定清水池時間分布函數費時費力，而且有時限于現場條件可能無法實現。采用計算流體動力學（CFD）全尺寸建模和數值仿真，可以便捷快速的模擬每一個工況下的水力條件及t10/T，甚至揭示單個顆粒停留時間和運行軌跡等[5]。因此，基于CFD，研究清水池優化的幾何結構、長寬比、隔板數量等影響因素，分析水力參數，為清水池的改造、新建和設計提供技術方法。

1 工程實例

實際清水池體積1 萬m3，設計參數如下：長50 m，寬48 m，水深4 m，；廊道寬8 m，彎道寬4 m；進水管和出水管均為DN1000。

2 主要影響因素及數值模擬工況

2.1 主要影響因素

結合清水池工程設計中常用的技術手段，主要影響因素如下：

（1）隔墻數/長寬比

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

（2）進水方式

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

（3）彎道寬度

工程實例中，廊道寬8 m，轉彎處寬4 m。以彎道寬度8 m 作對比，分析彎道寬度不同引起的水流特征對水力效率的影響。

（4）彎道數量

通過改變清水池平面布置，由48 m×50 m 變為24 m×100 m，相應減少轉彎次數，研究轉彎數量對水力效率的影響。

2.2 數值模擬工況

按照主要影響因素，設置各工況結構參數。以Fluent 對各個工況分別進行建模和模擬，分析水力效率t10/T 的變化。建模參數按文獻[6]設置。其中，穿孔墻距進水口5 m，受過水斷面限制，孔口取250 mm×250 mm，間距均為250，共64 個。

3 結果與討論

3.1 長寬比對t10 /T 影響

對于清水池，不同隔墻數對應不同的長寬比。不同工況下的t10/T 和停留時間分別見圖1、圖2。

圖1 長寬比對t10 /T 的影響

圖2 不同長寬比下的停留時間分布函數

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

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

3.2 進口方式對水力效率影響

針對進水管直徑、根數和增設穿孔墻等不同的進水條件，研究進口方式對水力效率對影響，結果見圖3。不同進水條件下，各工況的累積停留時間分布函數F（t）見圖4。

圖3 進口方式對t10 /T 的影響

圖4 不同進口方式下的累積停留時間分布函數

由圖3 可知，不同的進口方式對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，略好于DN1000，后者卻更經濟。模擬中，加設穿孔墻后水力效率反而降低，原因可能在于：受過水斷面僅8 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，且距進水口沒能足夠遠，導致水流流態發展不充分。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。對于設計采用的單根DN1000 工況，停留時間密度較集中。

3.3 彎道寬度對水力效率影響

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

圖5 8 m 彎道下顆粒出流頻數和累積概率

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

3.4 彎道數量對水力效率影響

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

圖6 2 個彎道下顆粒出流頻數和累積概率

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

6 結語

該文以CFD 數值模擬，分析了影響清水池水力效率主要因素，驗證了設計實例的預期效果，得出以下結論：

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

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

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