清水池水力效率影响因素研究

朱智勇

[上海城投兴港投资建设（集团）有限公司，上海市 201306]

0 引言

所有饮用水水厂中，清水池均是不可缺少的构筑物，具有水力调节和消毒接触的双重作用。优化清水池水力条件，使清池内水流尽量活塞流，能够提高消毒效率。根据Collins-selleck 灭活模型以及美国《地表水处理法则》，CT 值是实用的预测消毒效果的控制参数[1]。t10/T 则是反映短流程度的指标，其值越接近1.0 则清水池流态越接近活塞流，流态也就越理想，水力效率t10/T 也就越高[2]。有些清水池由于存在短流，t10/T 大多仅在10%～15%，水力条件亟待优化。

传统的示踪方法可被用于探求清水池的t10/T。近年，有学者在中试试验中以NaCl 等为示踪剂进行了研究[3-4]。但是，通过示踪试验测定清水池时间分布函数费时费力，而且有时限于现场条件可能无法实现。采用计算流体动力学（CFD）全尺寸建模和数值仿真，可以便捷快速的模拟每一个工况下的水力条件及t10/T，甚至揭示单个颗粒停留时间和运行轨迹等[5]。因此，基于CFD，研究清水池优化的几何结构、长宽比、隔板数量等影响因素，分析水力参数，为清水池的改造、新建和设计提供技术方法。

1 工程实例

实际清水池体积1 万m3，设计参数如下：长50 m，宽48 m，水深4 m，；廊道宽8 m，弯道宽4 m；进水管和出水管均为DN1000。

2 主要影响因素及数值模拟工况

2.1 主要影响因素

结合清水池工程设计中常用的技术手段，主要影响因素如下：

（1）隔墙数/长宽比

通过增设隔墙，廊道总长度和宽度的比值，即长宽比也随之改变。一般，隔墙数越多，长宽比越大。以同样平面尺寸的清水池，隔墙分别为2、3、4、5 和11，则长宽比分别为9、17、26、38 和150。

（2）进水方式

清水池的进水方式直接影响水流入池的能量转化和速度分布均匀性。实例中，进水管采用单管DN1000，流速0.74 m/s。其他进水方式，例如双管DN700、增设穿孔墙、溢流或单管DN1500 等作为对比，分析进水方式对水力效率的影响。

（3）弯道宽度

工程实例中，廊道宽8 m，转弯处宽4 m。以弯道宽度8 m 作对比，分析弯道宽度不同引起的水流特征对水力效率的影响。

（4）弯道数量

通过改变清水池平面布置，由48 m×50 m 变为24 m×100 m，相应减少转弯次数，研究转弯数量对水力效率的影响。

2.2 数值模拟工况

按照主要影响因素，设置各工况结构参数。以Fluent 对各个工况分别进行建模和模拟，分析水力效率t10/T 的变化。建模参数按文献[6]设置。其中，穿孔墙距进水口5 m，受过水断面限制，孔口取250 mm×250 mm，间距均为250，共64 个。

3 结果与讨论

3.1 长宽比对t10 /T 影响

对于清水池，不同隔墙数对应不同的长宽比。不同工况下的t10/T 和停留时间分别见图1、图2。

图1 长宽比对t10 /T 的影响

图2 不同长宽比下的停留时间分布函数

由图1 可知，增加隔墙导致长宽比增加后，t10/T随之增大。长宽比变大到26 以上，t10/T 的增大趋势显著变缓。以水力效率0.5 衡量，按模拟趋势线法，长宽比26 以上。

图2 表明，随长宽比增大，W（t）曲线在1000～6000 s 区间逐渐变陡，这表明进口管释放的颗粒越来越集中流出清水池。例如，长宽比150 时，颗粒集中在2000～4000 s 出流，时间段明显缩短。4000 s时，颗粒出流累积概率近96.5%。

3.2 进口方式对水力效率影响

针对进水管直径、根数和增设穿孔墙等不同的进水条件，研究进口方式对水力效率对影响，结果见图3。不同进水条件下，各工况的累积停留时间分布函数F（t）见图4。

图3 进口方式对t10 /T 的影响

图4 不同进口方式下的累积停留时间分布函数

由图3 可知，不同的进口方式对水力效率的影响较明显，相差最大近0.2。各模拟工况下，单根DN1000 的水力效率比穿孔墙和溢流更好。DN1500时，略好于DN1000，后者却更经济。模拟中，加设穿孔墙后水力效率反而降低，原因可能在于：受过水断面仅8 m×4 m 的限制，穿孔墙孔口过孔流速0.14 m/s，大于0.1 m/s，且距进水口没能足够远，导致水流流态发展不充分。两根DN700 流速同单根DN1000，但是t10/T 变差。

图4 表明，所有工况中，DN1500 的t10最长。对于设计采用的单根DN1000 工况，停留时间密度较集中。

3.3 弯道宽度对水力效率影响

弯道宽度8 m 工况下颗粒出流频数和累积概率见图5。弯道4 m 时，水力效率为0.537，弯道扩至8 m 后t10/T 减少至0.444。

图5 8 m 弯道下颗粒出流频数和累积概率

分析图5 可知，弯道宽度增大到8 m 后，集中出流的3000～4000 s，颗粒数量比4 m 弯道时略有减少，约120 个，因此，该工况下的水力效率有所减小。

3.4 弯道数量对水力效率影响

清水池平面由50 m×48 m 改为100 m×24 m后，弯道数量由5 个减少至2 个。清水池100 m×24 m工况下颗粒出流频数和累积概率见图6。

图6 2 个弯道下颗粒出流频数和累积概率

如图6 所示，集中出流的3000～4000 s，颗粒数量增加约40 个。因此，水力效率有所增加，平面50 m×48 m 时，水力效率为0.537，改为100 m×24 m后t10/T 略增至0.561。但弯道数量的影响相比于长宽比要明显变小，这表明弯道数量并非影响水力效率的最关键因素。

6 结语

该文以CFD 数值模拟，分析了影响清水池水力效率主要因素，验证了设计实例的预期效果，得出以下结论：

（1）各主要影响因素中，长宽比对水力效率影响最为明显，弯道宽度和数量以及进水方式并非影响t10/T 的最重要因素。

（2）t10/T 随L/W 增大而增大，但变大放缓。清水池实例的长宽比为38，此时t10/T 为0.54，可以满足t10/T 不少于0.5 的设计要求。

（3）减少弯道数量和增大进水管管径，均可使t10/T有所增加，但增大幅度和效果并不明显。