用于供水管网二次加氯后混合管件的数值优化研究

何 盼，张 峰，崔建国，程亚峰

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024；2.山西省市政工程研究生教育创新中心，太原 030024；3.太原普可佳工程设计有限公司，太原 030024)

近年来，管网二次加氯技术已经开始逐渐成为中、大型城市供水管网设计及实施时可供选择的消毒方案[1,2]。在对管网间加药点位置和数量确定、各点投加量优化、二次加氯的运行控制等方面都取得了一定成果后[3,4]，国内外技术人员也开始对二次加氯后药剂与水的混合特性以及水质变化规律表现出浓厚的兴趣[5]。

目前国内现已实施的二次加氯管网系统中，基本采用不设混合部件的自由扩散形式，造成药剂分布均匀性和稳定性相对较差，影响了消毒效率和水质。考虑到在网间加氯点后采用传统的在过流断面中央设置固定混合元件，会造成阻流面积较大，带来较大的水头损失，给水厂增压系统带来较大的改造工程量。因此，有必要研究开发用于管网二次加氯后快速、低损的混合装置。

圆管螺旋流是同时具有轴向、切向及径向速度分量的三维流动[6]。在水利领域，利用螺旋流低耗输送固粒的作用已有较为广泛的应用[7,8]。在市政工程领域，在管网中安装管内壁上带有扭曲导流叶的混合管件，利用螺旋流产生紊流扩散从而促进药剂混合，无论从设计、安装和管理的角度，都可方便地提高多点加氯的混合效果。在混合管件的设计选型过程中，由于管件内部流场较为复杂，理论求解较为困难。随着CFD技术的发展，采用数值计算来分析混合器内部流场和混合性能已得到广泛的认可。A Paglianti等[9]利用CFD技术对波纹板型混合器内部的混合元件的排列方式进行了优化，降低了混合器的压降损失，并通过实验进行了验证，2者有较好的吻合。偶国富等[10]建立了水、油、气三相流叶片式静态混合器物理模型，采用Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型进行了CFD计算，分析了叶片式混合器内的多相流流动特性，模拟得出的进出口压降与实验相吻合，验证了计算结果的可靠性。

本文在螺旋流特性的研究基础上，建立了混合管件的物理模型，针对混合管件内叶片的结构参数，对其内部多相流动特性进行了数值分析，获得了速度、压力和次相分率等流体动力学参数，探究了混合管件的混合机理，并利用横断面上的不均匀系数COV对混合器混合效果进行表征。研究结果为快速、低损混合管件优化制造提供参考。

1 混合装置计算模型

1.1 物理模型

混合装置结构见图1，包括带有扭曲导流叶的混合管件及管件前段设有加药管的输水管。计算过程中，取DN=100 mm的混合管件研究其对药剂的混合效果及影响因素。混合管件的构造见图1，管件内部壁面等弧长安装若干个导流叶，导流叶安装时长边与管壁固定相连，短边严格垂直于固定点处的管壁切线，即短边是沿径向指向管道轴线。导流叶是把长方形板条前端固定，在板条尾端施加作用力扭转一定角度而成，避免了水流在进入混合管件时与导流叶之间形成夹角，造成能量损失。在计算过程中，定义导流叶短边的长度为导流叶的高度，导流叶前端与尾端的夹角为导流叶的包角。

1-水流入口；2-药剂入口；3-混合管件；4-导流叶；5-法兰片；h-导流叶高度；L-混合管件周长；α--导流叶包角图1 混合装置结构Fig.1 Schematic diagram of mixing device

1.2 基本控制方程

Mixture模型可用于2相流或多相流的问题，该模型适用于强烈耦合且各相具有不同速度的多相流[11]。本文利用Mixture模型求解混合相的连续性方程、动量方程、次相体积分数来实现主相和次相的数值模拟，其中主相为水，密度和动力黏度分别为998.2 kg/m3和0.001 003 kg/(m·s)；次相为 NaCLO溶液，密度和动力黏度分别为1 100 kg/m3和0.001 316 kg/(m·s)。模型的控制方程如下[12]。

(1)连续性方程：

(3)

(2)动量方程：

(4)

式中：F是体积力；g为重力加速度；μm是混合黏性。

(3)次相体积分数方程：

(αpρp)+▽·(αpρpvm)=-▽·(αpρpvdr,p)

(5)

1.3 计算模型及边界条件

利用ICEM CFD对几何模型进行网格划分，混合管件和加药段采用非结构化网格，其余部分采用结构化网格。为消除网格数对模拟效果的影响，将几种不同的网格尺度进行对比，最终确定网格数约为230 万个。湍流模型采用Realizablek-ε模型。选用Fluent求解器，其主要参数设置为：动量、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式进行离散，体积相分率采用一阶迎风格式进行离散。计算域的入口均采用速度进口，出口采用自由出口(Outflow)。湍流特征以湍流强度和水力直径的形式输入，采用SIMPLE算法对压力和速度进行耦合计算，壁面按固定无滑移条件处理。

2 计算结果分析

2.1 混合机理分析

当流体在流经混合管件时，导流叶对流体产生了阻力使混合管件入口处管壁附近的压力升高，使靠近管壁处的流体向管中心处挤压，使得管轴处流体的轴向流速加快，同时由于导流叶迎水面承受的压力大于导流叶背水面所承受的压力，压力差使管道内的流体产生扭曲。流体在这2种力的共同作用下产生了旋转运动，由先前的平直流态转变成了同时具有轴向、周向和径向速度的流态，使得流体的速度梯度指向不同，增加了整个流场流动无序性，增大了高浓度和低浓度流体之间的接触面积，引发了管道内2种流体的紊动扩散，从而加快了药剂的混合速度。

对混合管件出口截面速度分布分析可知(见图2)，由于导流叶片的迎水面与背水面的压力差，促使流体从高压区流向低压区，与导流叶碰撞后改变了速度方向，形成回流。此外在导流叶片靠近管轴心位置处，导流叶片对流体的作用力使流体产生漩涡流动(见图2中椭圆区域)，促进了管道中心处与管壁处流体的对流，提高了径向流动的混合效果。

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

对流体在经过混合管件后混合发展的全过程进行分析(见图3)，在流体刚流出混合管件(Z=1 m)处，没有完全混合的2种流体之间分层比较明显，但此时流体已具有轴向、周向和径向这3个方向的速度，使得流体以螺旋型向前继续流动，2相之间的相互渗透和扰动持续进行，周向速度的生成，使流体受到离心力的作用，加强了流体的紊动性能，2相流体之间的体积分布也越来越均匀。随着管壁的摩擦阻力使得流体的旋流运动分量沿程衰减，湍流强度也逐渐减弱，对次相分布的扰动作用也慢慢变弱，在Z=5 m处能达到充分发展的状态。

图3 管道横截面上不同距离处的次相分率云图Fig.3 Secondary phase fraction of the pipe cross-section

2.2 混合效果的分析

采用不均匀系数COV来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计算式如下：

(7)

(1)导流叶个数对混合效果的影响。固定导流叶包角及导流叶高度，分析不同导流叶个数条件下出口截面的COV发现(见图4)，导流叶个数对水流的起旋运动的产生有着重要的影响。当导流叶个数为2个时，混合管件出口处截面的 最低。这可能是因为导流叶个数过多会阻碍混合管件内部药剂的横向扩散，导致局部区域浓度偏高。无论导流叶个数多少，随着流动的充分发展，螺旋流动沿程衰竭，湍流强度降低，不均匀系数变化的趋势都越来越平缓。但导流叶个数越多，混合管件后流体产生的旋流运动也越充分，提高了多相流随后的混合效果，断面COV下降得也越快。当导流叶个数为3个时，在出口5 m处COV值即可达到0.118，有较好的混合效果。

图4 导流叶个数对混合效果的影响Fig.4 Influence of guide vane number on mixing effect注：导流叶包角30°，导流叶高度为35 mm。

(2)导流叶包角对混合效果的影响。水流在经过混合管件后由平直流态转变为螺旋流态，主要是因为管件内导流叶按特定方式进行了扭曲的缘故。固定导叶个数及导叶高度，分析不同导流叶包角条件下出口截面的COV发现(见图5)，包角在20°～30°时，增加包角的度数，可提高相同截面上的混合效果。当包角度进一步增大时，相同截面上的混合基本稳定，对扭曲度数的变化不再敏感。这是因为导流叶的包角越大，导流叶对流体的周向以及轴向的作用力也就越大，从而使流体获得较大的旋转角速度和离心力，加剧了流体的紊动，促进多相流的混合。当叶片包角超过30°后，流体产生更大旋流强度的同时，相应的轴向阻流面积也越来越大，附加动能损耗也将会增加。因此，当导流叶包角超过30°后，继续增加包角度并未进一步提升混合效果。因此，根据混合效果，30°可作为混合管件内导流叶包角的较佳数值。

图5 导流叶包角对混合效果的影响Fig.5 Influence of wrap angle of guide vane on mixing effect注：导流叶个数3个，导流叶高度为35 mm。

(3)导流叶高度对混合效果影响。当固定导流叶个数和包角时，随着导流叶高度的升高，同一断面的混合效果也随之提高(见图6)。这是因为在管壁安装带有包角的导流叶片后，水流的旋流最开始是在边壁处产生，由于水流黏滞性的作用逐渐向管轴中心处传递。当导流叶高度较低时，螺旋流动仅发生在管壁附近，而管轴处依然是平直流动。当导流叶片较高时，在管道内切入主流较深，产生的旋流运动也较强，使管轴处的流体与管壁附近的流体对流加强，提高了多相流的混合效果。

图6 导流叶高度对混合效果的影响Fig.6 Influence of guide vane height on mixing effect注：导流叶个数3个，导流叶包角为30°。

2.3 压力损失的分析

对于用于管网二次加氯后的混合管件来说，压力损失是其重要参数之一，其关系着混合装置的经济效益与实际使用价值。混合管件造成的水流的压力损失主要有2个原因：①管件内导流叶对水流的阻力；②水流压能转化成旋转动能。对不同导流叶工况下的模型进行模拟计算得到混合管件进出口静压差见表1～表3，可看出混合管件对水流造成的压力损失随着导流叶个数、包角和高度的增大而增多，这主要由于随着导流叶个数、包角与高度的增大，管内的螺旋流动越充分，湍流强度增强，流体紊动加剧，导流叶在管件内所占的轴向阻流面积变大，能耗增多，压力损失增大。

表1 不同导流叶个数混合管件的压力损失Tab.1 Pressure loss of mixing device with differentnumber of guide vane

注：导流叶包角30゜，导流叶高度为35 mm。

表2 不同导流叶包角混合管件的压力损失Tab.2 Pressure loss of mixing device with differentwrap angle of guide vane

注：导流叶个数3个，导流叶高度为35 mm。

表3 不同导流叶高度混合管件的压力损失Tab.3 Pressure loss of mixing device with differentheight of guide vane

注：导流叶个数3个，导流叶包角为30゜。

以仿真计算结果与行业同类产品比较发现，本研究所开发基于螺旋流混合特性的混合装置混合水损相对较低。以目前使用较多的SK型混合器为例，当流体为湍流状态时，入口速度为0.5 m/s，6个混合单元的SK型混合器压损达到约2 430 Pa[14]。可见，本研究所开发装置在对混合水损要求更高的管网间应用时，有着更强的适应性。

3 结 论

利用Fluent软件中的Mixture多相流模型和Realizablek-ε湍流模型，分析了所构建的混合管件的混合效果及其影响因素，得出以下结论。

(1)流体在流过混合管件后能够改变流体的流线，使流体从一维运动变为三维运动，并且在混合管件内形成漩涡，促进了流体的径向扩散，增强了流体的紊动，提升了药剂的混合效果。

(2)通过分析管道各个横截面的不均匀系数COV值和压损可知，导流叶个数为3个时，混合效果最佳，且压力损失为157 Pa。导流叶包角为20°～30°，提高包角度能改善混合效果，当包角度超过30°后，混合器的混合效果趋于稳定。导流叶高度在0.2～0.35倍管径时，导流叶高度越高，混合效果越好，但压力损失也随之增大。

(3)综合混合管件对药剂的混合原理和影响混合效果的因素，该类型混合装置具有较好的混合效果和较低的水头损失，以此为基础所开发的混合装置，在市政工程领域，特别是管网改造工程中，会有更好的适用性，为后续管网间药剂的混合装置的开发奠定理论基础。

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