污水排海工程中的泵站和扩散器水力试验、 建模及仿真

摘要

随着经济的快速增长和城市化的日益发展，城市污水排放量的日益增加越来越成为严重制约城市可持续发展的负面因素。污水排海工程是一种经济有效的城市污水和工业污水处置方式，它在不影响海洋水域使用功能和生态平衡的前提下，合理利用海洋水体的自净能力，通过污水集中收集、传输、处理，途中经过中继泵站输送，然后由出口泵站将污水打入高位井，经放流管压至污水扩散器淹没排放，使污水与周围水体迅速混合，在尽可能小的范围内高度稀释，达到排放的环境标准。
　　 鉴于水流在泵站中的运动很复杂，泥沙在前池、高位井的运动及冲淤问题目前连一些基本规律还未彻底弄清楚，这就很难依靠理论分析的方法得到解决。本文作者根据流体力学基本理论和模型相似论，运用水力模型试验、数学模型及数值仿真计算对上海市污水治理工程南线二号污水泵站(本文简称M2泵站)水力特性进行了以下研究：
　　 1.对M2泵站进行了清水水力模型试验及数模仿真计算，发现泵站前池水流流态紊乱，进而导致水泵装置效率的下降，同时多泵运行所造成的前池流量增大会使前池内的紊乱流态进一步加剧，各泵在多泵组合运行工况下，其装置效率比其单泵效率进一步降低。通过一些工程改进措施如加导流墩、压水板及挡水板后，前池流态有不同程度的改善，同时水泵效率也有相应改善。
　　 2.选用比重轻于天然沙的酚醛塑料沙制成模型沙，对M2泵站进行了浑水水力模型试验，发现泵站前池内泥沙淤积严重，通过一些工程改进措施如加设压水板及挡水板后前池泥沙淤积有相应减少。
　　 3.通过泥沙冲淤试验，探明泥沙在前池、高位井中的沉降、冲淤、输移的运动规律，并研究出相应工程和管理措施。
　　 4.建立数学模型及编制计算程序采用科学的计算方法成功逼真地数值仿真了前池、高位井的平面流态，对评价和改善引水渠道、前池、高位井起到重要的作用。
　　 污水扩散器的主要目的是使排放污水得到足够的初始稀释度，其宗旨是充分利用环境参数所能利用的水文条件，有效地进行污水初始稀释扩散，满足水质排放要求。在白龙港排放口位置、放流管长度、扩散器长度及水深、水文等外界环境条件都已确定的条件下，为了提高近区稀释度本文作者运用试验、数学模型计算及数值仿真作了以下研究：
　　 1.通过自行设计的实验装置由实验得到四种面积比的三通局部阻力系数，同时加工了30余种上升管的喷头，考虑喷头喷口射流角度、喷口壁厚(b)与喷口孔径(d)之比、喷口射流总面积、喷头喷口孔数以及喷头出流量等因素，通过自行设计的实验装置得到喷头局部阻力系数。这些系数以前未见报导。
　　 2.根据排放口水域环境条件，计算出扩散器工程参数，合理选择扩散器工程参数，如射流角度、喷口个数、喷口设置导流管、上升管间距等可以显著地提高污水近区初始稀释度的工程参数。
　　 3.充分利用排放口处的水流条件，进行了合理地分配各上升管的污水量，位于水浅处的上升管分配以较少的污水量，水深处的上升管分配以较多的污水量，为了实现这一目的，用实验以求得局部阻力系数，代入所建立的数学模型中，进行数值仿真计算，计算结果和物理模型验证较好，计算正确，得到数个最佳的组合方案，使近区污水稀释度提高。成功首创了等截面扩散器非均匀排放污水量。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 国内外污水排海工程中的污水泵站及污水扩散器研究概况

1.2 污水泵站及污水扩散器研究的目的、内容、方法及作者所作的工作

1.3 作者在本文研究中的创新点

第2章 M2泵站模型设计、量测仪器及误差分析

2.1 模型设计

2.2 量测仪器

2.3 测试误差分析

第3章 M2泵站水力模型试验研究

3.1 水力模型试验内容

3.2 模型试验

3.2.1 前池流态

3.2.2 前池流速

3.2.3 不同开机组合对水泵性能的影响

3.2.4 前池水头损失对泵站效率的影响

3.2.5 临界淹没水、浪涌高度

3.2.6 原型泵汽蚀余量估算

3.2.7 M2前池的评价

3.3 改善前池进水流态的模型试验研究

3.3.1 第一改善方案：设挡水板

3.3.2 第二改善方案：设压水板

3.3.3 第三改善方案：改进引水渠导流隔墙设施

3.4 出水高位井的模型试验研究

3.4.1 高位井的流态

3.4.2 高位井水头损失

3.4.3 出水高位井涌浪

3.5 浑水模型试验

3.6 M2泵站结论与建议

第4章 M2泵站前池及高位井流态数值仿真

4.1 概述

4.2 前池、高位井控制方程

4.3 N-S方程混合有限分析格式

4.4 混合有限分析格式的性质

4.5 交错网格的计算方法

4.6 数模工况

4.7 数模验证

4.8 数模仿真结果

第5章 白龙港污水扩散器水力计算

5.1 概述

5.2 扩散器水力计算方法

5.3 阻力系数试验规划

5.4 物理模型试验研究

5.5 数学模型

5.6 数学模型验证

5.7 白龙港排放口扩散器水力仿真计算

5.8 结论与建议

第6章 波浪对污水扩散器出流量的影响

6.1 数学模型

6.2 数学模型计算

6.3 波浪要素对扩散器在小流量时的出流影响

6.4 结论

第7章 全文总结及展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果