南水北调中线干渠浮油拦截装置安放位置研究

吴林峰，刘易博，王文，范宇帆

南水北调中线干渠浮油拦截装置安放位置研究

吴林峰，刘易博，王文，范宇帆

（华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045）

随着南水北调中线工程的运行，因沿线机电设备内油类污染物出现外泄或渗漏等多种原因，导致渠道表面出现油类污染物。该类污染对饮用水造成了很大影响，需对水表油类污染物进行清除处理。根据南水北调中线干渠实际情况，研制一种适用于南水北调中线干渠浮油拦截装置。该装置与渠岸成一定夹角斜跨干渠水面安放。利用ANSYS Workbench平台中Fluent模块，对拦截装置与干渠呈不同夹角时上下游流场进行仿真。结果发现，装置与河岸夹角越小，拦油效果越好，但综合考虑装置的拦油效率及经济适用性，安放位置为与河岸夹角45°处最佳。

南水北调中线干渠；浮油拦截；Fluent；流场分析；安放位置

南水北调中线干线工程总干渠全长1432 km，有效地缓解了华北地区的用水压力。然而由于沿渠闸站机电设备长期运行，设备内油类污染物出现外泄或渗漏等原因，在渠道表面出现浮油；此外，跨渠公路桥梁运输油类及化学药品等发生交通事故也导致了泄露。渠道中的水主要为沿岸居民生产生活用水，水质的污染不仅会影响自来水厂对水的净化，而且会危及人类的身体健康，因此针对这类突发性事件及时清除输水渠道中的油类及化学药品污染物质至关重要[1-5]。

1 浮油清除方法及原理

浮油清除方法有化学方法、生物处理法和物理法等。吴庆之[6]较为详细地介绍了化学消油剂的作用机理和应用状况，并指出按表面活性剂的类型，可将消油剂分为靠电解质进行油污降解的离子型消油剂，和靠本身的溶解分子进行降解作用的非离子型消油剂。随着深入了解，许多学者发现了消油剂的弊端，其使用会破坏生态环境的平衡并造成二次污染。刘迁[7]以除油率为优化目标，以磁场强度、作用时间为设计参变量，通过对可用于标定除油率的三个相关参数的测量，研究了某种混合菌群降解石油的机理和提高降解效率的途径。虽然利用合适的微生物进行水中有机污染物的降解，高效、二次污染小又可以达到理化处理方式无法达到的处理效果，但是不同种类微生物的生存环境有所不同，某种降解微生物在一种生态环境下的污染源降解效果良好，可能对另一种生态环境下的同种污染源就无法进行降解，环境对降解微生物的抑制作用也比较明显，因此利用微生物除油受到了一定程度的限制。

南水北调中线干渠油类污染的特点是有突发性且水面浮油厚度小面积大，不易采用直接抽吸法清除。根据油水的比重不同（水大油小）、且互不相容这一物理特性，对渠道中的浮油按照先拦截后清除方法进行物理处理[8]。据此设计了一种适用于南水北调中线干渠的围栏式浮油拦截收集装置，该设备斜跨干渠两岸，当水面出现浮油时，浮油随水流沿着渠道流动，遇到承载浮体上游设置的拦油板，沿着拦油板导流方向汇聚在渠道一侧，如图1所示，再利用该侧河岸收集装置收集污物，达到先拦截后收集清除的目的。该拦油装置同时还可以作为两岸通勤、水质检测采样点、应急抢险运输物质等装备。

图1 整体布局图及局部放大图

浮油拦截装置采用导流装置为拦油板，依靠浮体承载漂浮在水面上。浮体与浮体之间通过两端耳板销轴串联连接，可有效减轻拦导设施水平方向上的弯曲。该装置通过渠岸两侧的数根锚绳固定于两岸相应的锚固墩上，其布设形式与水流方向呈一倾斜的夹角。渠面比较宽（一般20～50 m），拦油装置安放角度直接决定了承载浮体和拦油板的长度，同时对拦油效果产生很大影响。目前虽然对拦油和抽油装置有一定的研究，但是对安放角度还没有相关研究[8-13]。

2 基于Fluent流场分析的浮油拦截装置上下游流场研究

2.1 离散模型的建立

以南水北调中线某节制闸前渠道为模型。该渠道水面宽32 m，渠底宽度9.5 m，边坡坡度1:2.5，设计水深4.5 m，相邻两节制闸间距100多千米。浮油拦截装置的槽形拦油板厚度10 mm、高度80 mm。分析浮油拦截装置前后液体流场稳定性。由于渠道长度和宽度较大，渠岸对流场影响较小，渠道模型以1:25比例缩小，水流速度不变，忽略风速和风向的影响。由于油膜很薄，忽略不计，按照水的性能处理。干渠上拦冰、节制闸等对拦油板前后流场的影响忽略不计。

浮油受到浮体上游拦油板的拦截，会沿着拦油板倾斜方向流动汇聚在拦油板与渠岸交汇处。进行流场分析时，只需观察承载浮体和拦油板上下游水的流态即可。根据实际情况将模型简化为长、上底、下底、高分别为5000 mm、1280 mm、380 mm、180 mm的梯形体。利用ANSYS Workbench平台中的Fluent分析模块，直接采用从上到下的建模方式建立三维实体模型，选择四面体单元划分网格，共计329398个单元[14-15]。其中边界条件设置为：渠道上游为流体入口（inlet），下游为出口（outlet），两侧边坡及拦油板和浮体为“wall”，如图2所示。以水流速＝3.0 m/s加载，通过改变夹角大小来模拟拦油装置的不同安放位置，仿真模拟拦油装置上下游水流变化，从而得到浮油拦截装置的最佳安装角度。

图2 流场边界条件图

2.2 模拟结果与分析

拦油板与渠岸夹角分别为30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°及90°时，拦油板前流场特点如表1所示，得到的速度矢量图及流线图如图3和图4所示。可以看出，拦油板与河岸夹角越小，拦油板前水的流态越稳定，更有利于渠道表面油污的汇聚，所以当＝30°时水的流态最稳定。而最终确定拦油装置与河岸夹角除了考虑到水的流态之外，还需要考虑到油污被拦截后的收集效率以及浮油拦截装置的长度问题。夹角越小，也就是拦油装置越长，其投资就越大，并且两岸通勤、物资运输花费时间越长。综合考虑各种影响因素，选择油污拦截装置与渠岸夹角为45°时较合适。

表1 不同安放角度α拦油板前流场特点

图3 拦油装置不同位置时流场表面速度矢量图

图4 拦油装置不同位置时流场速度流线图

3 小结

根据南水北调中线干渠水源为饮用水的特性，选择物理拦截方法来处理河面的油类污染物。首先以中线干渠某节制闸前渠道为模型，根据实际情况对模型进行简化并绘制三维图；然后利用ANSYS Workbench平台中的Fluent模块对拦截装置的三维实体模型进行了流场分析，得出了该装置的最佳安装位置为倾斜角45o时的最佳模型。该设备已经投入应用4年多，通过浮油拦截实验及日常的交通通勤、物资运输，设备运行状态良好。

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Research on the Fixed Position of Oil Slick Interceptor in the Main Canal of the Mid-route of the South-to-North Water Diversion Project

WU Linfeng，LIU Yibo，WANG Wen，FAN Yufan

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

With the operation of the Mid-route of the South-to-North Water Diversion Project, oil pollutants is appearing on the surface of the channel due to various reasons such as the leakage of oil pollutants in the electromechanical equipment along the route. This kind of pollution has a great impact on drinking water, which calls for the removal of the oil pollutants from water. According to the actual situation of the main canal of the mid-route of the South-to-North Water Diversion Project, an oil slick interception equipment is developed. The equipment is placed diagonally across the water surface of the main canal at a certain angle with the canal bank. By using the Fluent module on the ANSYS Workbench platform, the upstream and downstream flow fields are simulated when the interception equipment and the main channel are at different angles. It is found that the smaller the angle between the equipment and the river bank is, the better the oil interception performs. Considering the oil interception efficiency and economic applicability, the optimal angle is determined to be 45°.

main canal of the mid-route of the south-to-north water diversion project；oil slick interception；Fluent；flow field analysis；fixed position

TV91；X383

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.03.005

1006－0316 (2021) 03－0028－05

2020－08－17

水利部公益性行业科研专项（201201074）；河南省重点科技攻关项目（152102210110，162102210082）

吴林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、硕士生导师，主要研究方向为水利机械设计及振动，E-mail：327644048@qq.com；刘易博（1996－），女，河南郑州人，硕士，主要研究方向为机械设计及有限元分析。