吳林峰，劉易博，王文，范宇帆

南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置安放位置研究

吳林峰，劉易博，王文，范宇帆

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

隨著南水北調(diào)中線工程的運(yùn)行，因沿線機(jī)電設(shè)備內(nèi)油類污染物出現(xiàn)外泄或滲漏等多種原因，導(dǎo)致渠道表面出現(xiàn)油類污染物。該類污染對(duì)飲用水造成了很大影響，需對(duì)水表油類污染物進(jìn)行清除處理。根據(jù)南水北調(diào)中線干渠實(shí)際情況，研制一種適用于南水北調(diào)中線干渠浮油攔截裝置。該裝置與渠岸成一定夾角斜跨干渠水面安放。利用ANSYS Workbench平臺(tái)中Fluent模塊，對(duì)攔截裝置與干渠呈不同夾角時(shí)上下游流場(chǎng)進(jìn)行仿真。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裝置與河岸夾角越小，攔油效果越好，但綜合考慮裝置的攔油效率及經(jīng)濟(jì)適用性，安放位置為與河岸夾角45°處最佳。

南水北調(diào)中線干渠；浮油攔截；Fluent；流場(chǎng)分析；安放位置

南水北調(diào)中線干線工程總干渠全長(zhǎng)1432 km，有效地緩解了華北地區(qū)的用水壓力。然而由于沿渠閘站機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，設(shè)備內(nèi)油類污染物出現(xiàn)外泄或滲漏等原因，在渠道表面出現(xiàn)浮油；此外，跨渠公路橋梁運(yùn)輸油類及化學(xué)藥品等發(fā)生交通事故也導(dǎo)致了泄露。渠道中的水主要為沿岸居民生產(chǎn)生活用水，水質(zhì)的污染不僅會(huì)影響自來(lái)水廠對(duì)水的凈化，而且會(huì)危及人類的身體健康，因此針對(duì)這類突發(fā)性事件及時(shí)清除輸水渠道中的油類及化學(xué)藥品污染物質(zhì)至關(guān)重要[1-5]。

1 浮油清除方法及原理

浮油清除方法有化學(xué)方法、生物處理法和物理法等。吳慶之[6]較為詳細(xì)地介紹了化學(xué)消油劑的作用機(jī)理和應(yīng)用狀況，并指出按表面活性劑的類型，可將消油劑分為靠電解質(zhì)進(jìn)行油污降解的離子型消油劑，和靠本身的溶解分子進(jìn)行降解作用的非離子型消油劑。隨著深入了解，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了消油劑的弊端，其使用會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境的平衡并造成二次污染。劉遷[7]以除油率為優(yōu)化目標(biāo)，以磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間為設(shè)計(jì)參變量，通過(guò)對(duì)可用于標(biāo)定除油率的三個(gè)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，研究了某種混合菌群降解石油的機(jī)理和提高降解效率的途徑。雖然利用合適的微生物進(jìn)行水中有機(jī)污染物的降解，高效、二次污染小又可以達(dá)到理化處理方式無(wú)法達(dá)到的處理效果，但是不同種類微生物的生存環(huán)境有所不同，某種降解微生物在一種生態(tài)環(huán)境下的污染源降解效果良好，可能對(duì)另一種生態(tài)環(huán)境下的同種污染源就無(wú)法進(jìn)行降解，環(huán)境對(duì)降解微生物的抑制作用也比較明顯，因此利用微生物除油受到了一定程度的限制。

南水北調(diào)中線干渠油類污染的特點(diǎn)是有突發(fā)性且水面浮油厚度小面積大，不易采用直接抽吸法清除。根據(jù)油水的比重不同（水大油?。?、且互不相容這一物理特性，對(duì)渠道中的浮油按照先攔截后清除方法進(jìn)行物理處理[8]。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種適用于南水北調(diào)中線干渠的圍欄式浮油攔截收集裝置，該設(shè)備斜跨干渠兩岸，當(dāng)水面出現(xiàn)浮油時(shí)，浮油隨水流沿著渠道流動(dòng)，遇到承載浮體上游設(shè)置的攔油板，沿著攔油板導(dǎo)流方向匯聚在渠道一側(cè)，如圖1所示，再利用該側(cè)河岸收集裝置收集污物，達(dá)到先攔截后收集清除的目的。該攔油裝置同時(shí)還可以作為兩岸通勤、水質(zhì)檢測(cè)采樣點(diǎn)、應(yīng)急搶險(xiǎn)運(yùn)輸物質(zhì)等裝備。

圖1 整體布局圖及局部放大圖

浮油攔截裝置采用導(dǎo)流裝置為攔油板，依靠浮體承載漂浮在水面上。浮體與浮體之間通過(guò)兩端耳板銷軸串聯(lián)連接，可有效減輕攔導(dǎo)設(shè)施水平方向上的彎曲。該裝置通過(guò)渠岸兩側(cè)的數(shù)根錨繩固定于兩岸相應(yīng)的錨固墩上，其布設(shè)形式與水流方向呈一傾斜的夾角。渠面比較寬（一般20～50 m），攔油裝置安放角度直接決定了承載浮體和攔油板的長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)攔油效果產(chǎn)生很大影響。目前雖然對(duì)攔油和抽油裝置有一定的研究，但是對(duì)安放角度還沒(méi)有相關(guān)研究[8-13]。

2 基于Fluent流場(chǎng)分析的浮油攔截裝置上下游流場(chǎng)研究

2.1 離散模型的建立

以南水北調(diào)中線某節(jié)制閘前渠道為模型。該渠道水面寬32 m，渠底寬度9.5 m，邊坡坡度1:2.5，設(shè)計(jì)水深4.5 m，相鄰兩節(jié)制閘間距100多千米。浮油攔截裝置的槽形攔油板厚度10 mm、高度80 mm。分析浮油攔截裝置前后液體流場(chǎng)穩(wěn)定性。由于渠道長(zhǎng)度和寬度較大，渠岸對(duì)流場(chǎng)影響較小，渠道模型以1:25比例縮小，水流速度不變，忽略風(fēng)速和風(fēng)向的影響。由于油膜很薄，忽略不計(jì)，按照水的性能處理。干渠上攔冰、節(jié)制閘等對(duì)攔油板前后流場(chǎng)的影響忽略不計(jì)。

浮油受到浮體上游攔油板的攔截，會(huì)沿著攔油板傾斜方向流動(dòng)匯聚在攔油板與渠岸交匯處。進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)，只需觀察承載浮體和攔油板上下游水的流態(tài)即可。根據(jù)實(shí)際情況將模型簡(jiǎn)化為長(zhǎng)、上底、下底、高分別為5000 mm、1280 mm、380 mm、180 mm的梯形體。利用ANSYS Workbench平臺(tái)中的Fluent分析模塊，直接采用從上到下的建模方式建立三維實(shí)體模型，選擇四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共計(jì)329398個(gè)單元[14-15]。其中邊界條件設(shè)置為：渠道上游為流體入口（inlet），下游為出口（outlet），兩側(cè)邊坡及攔油板和浮體為“wall”，如圖2所示。以水流速＝3.0 m/s加載，通過(guò)改變夾角大小來(lái)模擬攔油裝置的不同安放位置，仿真模擬攔油裝置上下游水流變化，從而得到浮油攔截裝置的最佳安裝角度。

圖2 流場(chǎng)邊界條件圖

2.2 模擬結(jié)果與分析

攔油板與渠岸夾角分別為30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°及90°時(shí)，攔油板前流場(chǎng)特點(diǎn)如表1所示，得到的速度矢量圖及流線圖如圖3和圖4所示。可以看出，攔油板與河岸夾角越小，攔油板前水的流態(tài)越穩(wěn)定，更有利于渠道表面油污的匯聚，所以當(dāng)＝30°時(shí)水的流態(tài)最穩(wěn)定。而最終確定攔油裝置與河岸夾角除了考慮到水的流態(tài)之外，還需要考慮到油污被攔截后的收集效率以及浮油攔截裝置的長(zhǎng)度問(wèn)題。夾角越小，也就是攔油裝置越長(zhǎng)，其投資就越大，并且兩岸通勤、物資運(yùn)輸花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)。綜合考慮各種影響因素，選擇油污攔截裝置與渠岸夾角為45°時(shí)較合適。

表1 不同安放角度α攔油板前流場(chǎng)特點(diǎn)

圖3 攔油裝置不同位置時(shí)流場(chǎng)表面速度矢量圖

圖4 攔油裝置不同位置時(shí)流場(chǎng)速度流線圖

3 小結(jié)

根據(jù)南水北調(diào)中線干渠水源為飲用水的特性，選擇物理攔截方法來(lái)處理河面的油類污染物。首先以中線干渠某節(jié)制閘前渠道為模型，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并繪制三維圖；然后利用ANSYS Workbench平臺(tái)中的Fluent模塊對(duì)攔截裝置的三維實(shí)體模型進(jìn)行了流場(chǎng)分析，得出了該裝置的最佳安裝位置為傾斜角45o時(shí)的最佳模型。該設(shè)備已經(jīng)投入應(yīng)用4年多，通過(guò)浮油攔截實(shí)驗(yàn)及日常的交通通勤、物資運(yùn)輸，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)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，F(xiàn)AN 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

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201201074）；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102210110，162102210082）

吳林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗麢C(jī)械設(shè)計(jì)及振動(dòng)，E-mail：327644048@qq.com；劉易博（1996－），女，河南鄭州人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及有限元分析。