主 要 内 容

2. 主 要 内 容 • 一、 问题的提出 • 1. 经济发展和学科的需求 • 2. 扩散器的原理 • 3. 国内外应用情况 • 二、扩散器的形式 • 三、值得重视的若干问题 • 1. 排污流量的选取 • 2. 放流管和扩散器的水力设计注意的问题 • 四、单孔排放扩散器近区稀释特性 • 1. 平面浮力射流的稀释特性及其稳定性 • 2. 圆形浮力射流的稀释特性及其稳定性 • 五、近区稀释度的控制技术 • 1. 贴壁射流 • 2. 单孔卷吸设置 • 3. 射流稀释装置 • 4. 有障碍浮力射流

3. 一、问题的提出 1.经济发展和学科的需求 • 随着经济的高速发展，以及人口的不断增长，城市生活污水和工业废水的排放量大幅度增加 • 以往，污水大多未经适当处理就直接排入容泄水体，致使海洋和大江大河近岸水域及中小河流受到严重的污染破坏了水体的使用功能 , 由此制约了经济的进一步发展，也影响了人们的正常生活。因此，采用经济可行的技术措施来有效地控制水污染状况己越来越迫切 • 污染物在水体中的扩散和输移是环境水力学所研究的主要问题。

4. 2.扩散器的原理 • 早期的污水设计实践中，在没有许多实验证实的情况下，曾直观的设想各个射流之间的间距应分开较远，以避免两相邻射流之间的干扰，才可以获得最优的稀释度 • 有时也把各个射流沿扩散器按相反方向交错排列，实际上是想将孔口间距增加一倍。 • 近年来，这两个论点已为精细的理论和实验研究的成果推翻。 • 现行的设计准则喜欢用沿同一方向且间距密集的射流----实际上这是模仿浮力线源

5. 2.理论证明

6. 2.扩散器的原理 • 利用射流的掺混机理 • 利用大水体的自净能力 • 多孔排放优于单孔排放 • 污水在排放口附近迅速得以稀释显著减少污水处理费用

7. 3.国内外应用情况 • 水库增氧技术中的应用 • 污水排江排海的应用 污水排江排海扩散器存在的主要问题 A 海水、泥沙、海洋微生物对扩散器和管道的入侵及淤堵 B 如何进一步提高污水的稀释度

8. 不完全上升空气射流掺气系统

9. 纯氧射流系统

10. 纯氧射流系统

11. 二、扩散器的型式 2.1 扩散器的布置型式 污水排入河流采用 I 型扩散器，当排入海域，根据海水流向，除了用 I 型之外，可用 T或Y型扩散器 水流流向与扩散器轴向的夹角分为：垂直式；平行式和斜交式。 垂直式常用于河道，平行式常用于有反复流动的感潮河流。

12. 2.2 扩散器的结构型式 管壁喷口型扩散器 某污水排海工程（预选方案）采用的管壁喷口型扩散器

13. 英国Hastings 污水排海工程采用 的立管-单喷口型扩散器结构 2. 立管-单喷口型扩散器

14. 英国Great Grimisby 污水排河工程采用 的立管-单喷口型扩散器结构

15. 美国旧金山污水排海工程采用 的立管-多喷口型扩散器结构 3. 立管-多喷口型扩散器

16. 4. 扩散器末端结构 英国Hastings污水排海工程扩散器末端结构图

17. 加拿大Lion’s Gate 污水排海工程检查井及扩散器末端结构图

18. 三、值得重视的若干问题 1.排污流量的选取 • 排污流量选择偏小，会造成工程难以满足指定区域污水处理的要求要出现污水滞积；选择偏大，又会引起工程规模过大，造成浪费；而且，在间歇排放小流量时，极易引起扩散器管路发生海水倒灌 • 排污流量的确定，主要取决于指定区域的工业规模及生活污水量情况，并受所选容泄水体的纳污能力所制约。合理的排污设计流量应根据指定区域的中长期规划，结合受纳水体的环境评估等因素，综合考虑来确定，并适当留有余地。

19. 2.放流管和扩散器的水力设计要点 及应注意的问题2.1 流量分配为提高污水稀释扩散效果，应使污水沿扩散器全长均匀地分布，即从扩散器的一端至另一端，每个出口的流量应基本相等。但是，实际上，设计的扩散器不可能在各级流量情况 均使孔口均匀排放。一般来说，中小流量时，要求基本均匀分配。 流量沿线分布情况可用不均匀系数 k 来反映。 工程设计时，k 值一般要求控制在 0.95~1.05 之间。

20. 2.2 排口流速 实践表明，扩散器近区的污水稀释扩散效果一直可以影响到远区。对于单个排口来说，初始稀释度和排口的出流速度有关。当排口为水平时，较大的出口流速有利于提高稀释扩散效果。但排口流速过大, 势必要求排污系统有较大的工作水头，这样会带来由于工作泵的频繁维修、泵站的动力消耗而增大成本及运行管理困难等问题。因此，喷口流速一般以3.0~4.0 m/s为宜。

21. 2.3 放流管及扩散器内泥沙淤堵问题及处理 • 为避免和减少污水中悬浮物在管内发生淤积，工程上通常要求管道内维持一定的不淤流速，一般取0.60~1.0m/s • 一般采用分段变径管形式

22. 2.4 海水倒灌问题 • 当污水流量较小，不能保证整个扩散器的全部喷口均为满流，或因排污系统故障或停机维修而使扩散器断流，此时,处于出海口和海洋的扩散器，由于海水密度大于污水，海水将从喷口进入扩散器竖管，并沉入扩散器底部，形成盐水楔，此即为海水倒灌现象 • 伴随着海水倒灌，部分泥沙和海洋生物会入侵扩散器。海洋生物进入扩散器后 , 会粘附管壁并大量繁殖生长，长时间维持这种状况，将会使管路发生堵塞 • 如果发生海水倒灌 , 则应及时对扩散器进行清洗。一般采用增大污水流量，将盐水楔位置逐步向远端推移，由此，逐步将倒灌的竖管清洗干净。

24. 为了防止海水从喷口侵入扩散器 , 喷口直径和出流流速应满足如下关系：

25. 在排放近期、中期污水流量时 , 可暂时封闭部分排口，待排污流量增大，再逐渐增加排口数目。检修时，尽量缩短断流时间。为防止海洋生物在管内繁殖 , 应在管内壁涂一种防海洋生物生长的涂料。另一方面，亦可考虑在污水排口采取适当的技术措施，当污水流量减小或断流时， 排口断面会自动缩小直至关闭，以此阻止海水倒灌

26. 2.5 港航对扩散器管道及排口的冲击扩散器处于航道及港区，船舶抛锚或航道清淤，不可避免地会对其造成较强的冲击和勾拉破坏，对此，一方面，应和港务部门密切配合，在扩散器附近设立禁锚标志，将此区域定为禁锚区； 另一方面，设计时在环境允许的条件下，采取一些防御措施, 进一步减小事故发生的机率，仍是必要的。如适当加大扩散立管外径，使其大于所有锚爪间距，锚爪勾不住竖管；或采用柔性喷口或嵌式结构

27. 例 子 某排污扩散器位于主航道及港口。设计时，将排污管扩散器的立管间距定为 27.00m, 便于航道清淤，立管的长度也随航槽变化

28. 平面浮力射流的稀释特性 • 及其稳定性 • 圆形浮力射流的稀释特性及 • 其稳定性 四、单孔排放扩散器 近区稀释特性

29. 热水浮力射流的稳定性 以平面垂直浮力射流为例： • 浮力通量 （其中 ） • 动量通量 由于两者的作用效果不同，进入环境流体的紊动射流在排放近区会形成完全不同的两种流动型态。

30. 对热水浮力射流的特性的预报一般采用 “分区方法”，也即将流场各部分根据各自的特征区分成不同的区域，对各区域分别进行研究的方法。 Ⅰ、浮力射流区 Ⅱ、表面碰撞区 Ⅲ、内水跃区 Ⅳ、反向分层流动区

31. 稳定排放结构定义为：射流流体经过浮力射流区、表面碰撞区后，以浮力表面层的形式向下游扩散，即排放近区不发生混合流体的二次挟带的流动（如图1-1（a）所示）；稳定排放结构定义为：射流流体经过浮力射流区、表面碰撞区后，以浮力表面层的形式向下游扩散，即排放近区不发生混合流体的二次挟带的流动（如图1-1（a）所示）； • 非稳定排放结构定义为：在排放近区分层流动遭到破坏，从而导致近区产生漩涡或是沿整个水深发生水流的明显掺混的流动（如图1-1（b）所示）。 • 在稳定排放结构下，更加有利于热废水尽快地向下游扩散，减少对近区的污染，保持水体的生态平衡。 • 现在很多流速高、排量大的扩散器被广泛应用于工程实际中，对环境水体（江河湖海等）的环境影响会更加严重，因此对浮力射流排放的稳定性以及浮力热水同环境水体相互作用的混合特性的研究就有十分重要的价值。

32. 数学模型 • 本文采用考虑浮力作用的 双方程模型。 • 对于直角坐标系下的三维流动，方程的形式为： （1） 连续性方程

33. （2）动量方程

34. （3） 能量方程 （4） 湍动能方程 （5） 湍动能耗散率方程

35. 2、混合有限分析方法 • 上述方程均为非线性偏微分方程，可写成以下统一形式： • 将计算区域剖分成矩形网格，并任取一个局部单元，在此单元上将方程进行如下的线性化：

36. 混合有限分析七点格式: 均匀网格混合有限分析系数为：

37. 计算技术 交错网格

38. Simpler 算法 SIMPLER 算法的基本思想是：先给出压力场的猜测值（它可以是假设的或是前一次计算所确定的），由此求解动量方程得到速度场的猜测值，再求解由连续方程导出的压力校正方程，从而得出压力改进值，进而得到改进速度，并得出这一迭代层上能满足连续性方程的解，然后用计算所得的新的速度值去改进动量离散方程的系数，如此反复迭代，直到满足精度要求为止。

39. 实验研究与数值检验 • 为了对前述的数学模型的有效性进行验证，在实验室对流动环境中的圆形垂直浮力射流进行了实验研究，并对实验工况进行了数值计算。 • 三维圆形垂直浮力射流广泛应用于有限水深和无限水深的条件下，如冷却塔或烟囱中废热废气向大气的排放，污水或热废水向天然水体的排放等等。

40. 实验装置示意图

41. 图3-5 TDW自动温控仪 冷水进水管 接温度感应器 电热管 图3-3 回流水箱 热水出水管 回水管 图3-2 加热水箱 图3-4三维方向滑轨

42. Micro ADV 流速测量系统 采用美国Sontek公司生产的三维超声测速仪（Micro ADV，SonTek/YSI 16-MHz）对流场进行量测。Micro ADV以声学多普勒效应原理为依据，对距探头5cm范围内的水体的三维流速场进行测量，可以得到流场的时均流速，紊流脉动流速的二阶、三阶乃至四阶中心矩。

43. 图3-8温度感应器 温度测量系统

44. 实验设计 • 本次实验中，喷口直径，环境流速，射流温度和环境温度均保持不变，上游为恒定来流，环境流量采用电子流量计控制在 20 L/s。不同的工况采用改变射流流速来实现。环境流量为 20 L/s，环境水深为 20 cm，则环境流速为 0.1 m/s。喷口直径为 8.1 mm，射流流量选择三组，分别为 111 L/h，148 L/h 和 190 L/h。对应的射流流速为 0.6 m/s，0.8 m/s，和 1.0 m/s。

45. 表3-1 实验工况

46. 图3-9横流来流流速沿水深分布图（R=10） 来流流速分布

47. 温度分布和速度分布

48. 流场的紊动特性

49. 数值检验 为了对前述数学模型进行检验，针对所做实验工况进行了数值计算。

50. 三维流动图像 从图中可以将横流中的紊动射流明显地区分为三段，即起始段，弯曲段，和横流贯穿段。