污水排海擴散器優(yōu)化設計
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。
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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)：
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式中 Qi --- 擴散管內(nèi)流量
di --- 上升管直徑
qi --- 上升管流量
ai --- 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
ζi,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ζi,i乘擴散管流速水頭，即
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ΔH三通=ζi,i×(v擴散器2/2g)
ζi為噴頭淹沒流阻力系數(shù)；噴頭的局阻為ζi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。
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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。
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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)學模型的計算結果是可信的，可以用于擴散器水力計算。
4 優(yōu)化設計方案之一
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，計算結果如圖4所示。
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5 結論
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)水力條件與原設計基本上一致，即防止海水入侵的條件基本相似。
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