CN103510494B - 一种v形拦污栅 - Google Patents

Abstract

一种V形拦污栅，属于泵站拦污、清污技术领域。由两块成一定角度的平面栅固定在位于V形顶端的立柱上构成，所述平面栅由栅条1、竖梁2、边梁3组成，栅条水平设置。两平面栅面夹角30°~90°，流速小时取小值，流速大时取大值。所述V形拦污栅的高度高于设置V形拦污栅的过流断面的水深度，V形拦污栅的顶端迎向水流，V形拦污栅上的拦截物沿平面栅的栅条向V形两侧滑移聚集。V形拦污栅栅面面积较平面形拦污栅大，相同体积的水草堵塞栅前时，V形拦污栅未堵塞的过流面积较大，拦污水位差较小。栅前水草在水流的作用下沿栅面滑移至并聚集在两侧，靠近河岸，便于岸边人工及时清污。采用V形拦污栅，栅体承载能力大，可以省去清污工作桥，减少工程费用，降低泵站主机运行费用，又可减少清污费用和工作量。

Description

一种V形拦污栅

技术领域

本发明涉及一种V形拦污栅，具体来说涉及一种中、小型泵站拦污装置，属于泵站拦污、清污技术领域。

背景技术

泵站前设置拦污栅能够阻止污物（主要是水草）进入水泵，保证水泵机组运行安全。拦污栅一般采用平面形，与水面成75°或90°置于引水河道中或泵站进水池（进水流道）前。大型泵站需设置清污工作桥，配备清污机。中小型泵站一般不设清污设备，需人工清污，清污困难、危险，清污工作量大。对于面广量大的农村中小型泵站，栅前污物以水草为主，水草比重小于水体，浮于水面的水草首先堵塞上部栅面，上部栅面水草如果不及时清除，在流速较大的情况下，后续水草容易随水流潜入水下堵塞中部和下部栅面，拦污水头损失急剧增大至0.3～1.0m左右，造成人工清污困难，泵装置扬程增大，流量减小，对轴流泵和高比转速混流泵，水泵轴功率增加，泵站效率降低。拦污栅栅后泵站吸入口水位下降过多时，还会造成水泵汽蚀，严重时造成栅体垮塌。泵站拦污，栅前污物如果不及时清除，会造成运行费用大幅增加，影响水泵机组安全、稳定运行。因此，中小型泵站需要一种拦污阻力小、便于人工清污的拦污栅。

发明内容

本发明针对目前中小型泵站广泛采用的单扇平面形拦污栅拦污阻力大、清污困难等问题，通过理论分析、流动数值模拟和试验研究，设计出一种拦污阻力小、便于清污的V形拦污栅。

本发明的技术方案是，一种V形拦污栅，其特征在于，所述V形拦污栅由两块平面栅固定在立柱上构成，立柱位于两块平面栅构成的V形角顶端，如图1，所述平面栅由栅条（1）、竖梁（2）、边梁（3）组成，栅条水平设置，所述栅面高度大于过流断面的水深度，V形拦污栅的顶端迎向水流，所述V形拦污栅的V形角的角度取α=30°～90°。V形拦污栅上的拦截污物在水流作用下，沿平面栅的栅条向V形两侧滑移聚集。

所述V形拦污栅采用不锈钢管材或型材、或普通钢管材或型材涂防腐漆制成。立柱、竖梁、边梁和栅条的横截面尺寸、竖梁间距、栅条间距根据需要按常规设计选用。

本发明结构简单合理，生产制作安装容易，拦污效果好，与传统的平面形拦污栅相比，栅前水草在水流的作用下沿栅面滑移至并聚集在两侧，拦污水阻力小，水草聚集靠近河岸，便于岸边人工及时清污。采用V形拦污栅，可以省去清污工作桥，减少工程费用，提高泵站进水质量，降低泵站主机运行费用，又可减少清污费用和工作量。

根据拦污试验得到的栅前污物的聚集形态，采用流动数值模拟的方法计算拦污栅前后流场并进行分析。本发明V形拦污栅夹角α的大小，考虑贴于栅面的来流水草在水流作用下能克服栅条阻力沿栅面滑向边侧为宜，以减小阻力、便于清污。α角愈小，愈容易依靠水流作用力将堵塞栅面的水草推向边侧，但栅面面积大，制造成本大，安装占地空间大，一般取α=30°～90°。栅前流速较小时，应采用栅面夹角较小的V形拦污栅；栅前流速较大时，可以采用夹角较大的V形拦污栅，以减小栅面长度，节省材料。

在水流的作用下，栅前水草聚集在V形拦污栅的边侧，如果不及时清除，后续的水草首先沿来流方向向上游水面铺开，接下来的水草在水流的作用下可能下潜堵塞两侧栅面。根据拦污试验，图2和图3分别为水草在V形和平面形两种拦污栅前聚集情况。栅前水草体积相同时，V形栅面堵塞面积小于平面形栅面堵塞面积，V形拦污栅垂直于流向的未堵塞的过流面积较大，拦污水头损失较小。同时，栅前污物聚集在V形拦污栅两侧，靠近河岸，便于岸边人工及时清污，既可以省去清污工作桥，减少投资成本，又可降低因拦污水位差增加的泵站运行费用7%～8%左右，还可减少清污费用，同时，V形拦污栅栅体承载能力更大。

考虑到农村泵站栅前水草以水花生为主，以水花生作为栅前污物进行拦污试验。运用ANSYS CFX软件，采用VOF方法，计算原型泵站拦污栅拦污水位差及其流场，并得到试验验证。

拦污栅拦污流动数值计算步骤：

A.根据拦污试验时V形和平面形拦污栅前污物聚集的形态以及泵站前污物聚集情况的实地观测，考虑栅前污物聚集形状，建立流动数值计算的几何模型，通过改变栅前污物的量、V形拦污栅夹角α大小、栅前水深、栅前流速可以得到不同的计算模型。

B.对建立的几何模型进行非结构网格划分，在栅条和横梁附近局部加密。

C.数值计算的控制方程包括连续性方程、雷诺平均方程，采用k-ε湍流模型。

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\left(\mathrm{\ρu}\right)=0---\left(1\right)$

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)}{{\∂x}_j}={\mathrm{\ρf}}_i-\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_j}---\left(2\right)$

式中：ρ为流体的密度；p表示流体微团的压力；u_i、f_i、x_i分别为i方向的速度、单位质量力和坐标；τ_ij为流体微团表面粘性切应力τ_ij分量。

k方程 $\frac{\∂}{{\∂x}_j}[{\mathrm{\ρv}}_{j}k-(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}]=\mathrm{\ρ}(p_k-\mathrm{\ϵ})---\left(3\right)$

ε方程： $\frac{\∂}{{\∂x}_j}[{\mathrm{\ρv}}_j\mathrm{\ϵ}-(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j}]=\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}(C_{\mathrm{\ϵ}1}{p}_k-C_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\ϵ})---\left(4\right)$

式中：μ_t为涡团粘性系数，p_k是湍动能生成项，经验系数C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3

D.采用液体体积分数（VOF）模型跟踪拦污栅前后液面的分布。VOF模型定义了一个液体体积组分函数α（单元内液体体积与该单元体积之比），在每个单元中，水和空气的体积分数之和为1。如果α_w表示水的体积分数，则空气的体积分数α_a可表示为α_a=1－α_w在一个单元中，水的体积分数会有3种情况，即α_w=0,1或介于0和1之间，分别与充满气、充满水和包含水气分界面3种情况相对应。只要流场中各处的水和空气的体积分数都已知，所有其它水和空气共有的未知量和特性参数都可以用体积分数的加权平均值来表示。

E.方程离散采用交错网格的有限体积法。将变量p,k,ε,α置于控制体积中心，速度控制体和压强控制体交错布置，对流-扩散项的离散采用幂函数。在水气交界面，由于物理性质的不连续，在计算中容易产生数值扩散，因此，在离散体积函数α控制方程时，采用迎风差分格式，计算中有效地控制时间步长。

F.给定计算区域边界条件。该计算区域采用压力进口、质量出口，进口断面顶部（水面），给定一个大气压。近壁区域流动采用壁面函数，壁面采用无滑移、绝热边界条件。

G.数值计算V形和平面形拦污栅拦污流动，并对计算结果进行研究、分析。

采用数值计算的方法能够较为准确的计算出泵站拦污水头损失及其流场分布，泵站采用V形拦污栅，相同体积的水草堵塞栅面时，其拦污水位差明显小于平面形拦污栅，V形拦污栅过流面积较大，与平面形拦污栅相比，栅后流态较好。V形拦污栅拦截的水草大部分聚集在拦污栅两侧尾部栅面，靠近河岸处，便于人工及时清污，大大降低拦污清污成本。采用V形拦污栅可以省去清污工作桥，降低清污的投资成本。

附图说明

图1为本发明V形拦污栅结构。

图2为本发明V形拦污栅栅前污物聚集形态（平面图）。

图3为传统平面形拦污栅栅前污物聚集形态（侧视图）。

图4为传统平面形拦污栅拦污计算模型。

图5为本发明V形拦污栅拦污计算模型（左对称的一半）。

图6为本发明V形拦污栅计算区域网格划分。

图7为传统平面形拦污栅前、栅后水位。

图8为本发明V形拦污栅前、栅后水位（水位差0.16m）。

图9为本发明α=90°的V形拦污栅栅后1.0m处断面流速分布。

图10为传统平面形拦污栅栅后1.0m处断面流速分布。

图11为本发明α=60°的V形拦污栅前、栅后水位。

图12是本发明α=45°的V形拦污栅前、栅后水位。

图中：1栅条、2竖梁、3边梁、4立柱、5平面栅、6污物。

具体实施方式

根据拦污试验得到的栅前污物的聚集形态分析和流动数值模拟研究，分析、设计一种V形拦污栅，由两块平面栅固定在位于V形顶端的立柱上构成。所述平面栅由栅条1、竖梁2、边梁3组成，栅条水平设置，所述V形拦污栅的高度大于设置拦污栅处的过流断面的水流深度，V形拦污栅的顶端迎向水流，V形拦污栅的拦截物沿平面栅的栅条向V形两侧滑移聚集。V形拦污栅采用不锈钢管材或型材、或普通钢管材或型材涂防腐漆制成。立柱、竖梁、边梁和栅条的横截面尺寸、竖梁间距、栅条间距根据需要按常规设计选用。V形拦污栅的顶端迎向水流，V形拦污栅夹角α的大小，考虑贴于栅面的来流水草在水流作用下能克服栅条阻力沿栅面滑向边侧为宜，以减小阻力、便于清污。α角愈小，愈容易依靠水流作用力将堵塞栅面的水草推向边侧，但栅面面积大，制造成本大，安装占地空间大，一般取α=30°～90°。栅前流速较小时，应采用栅面夹角较小的V形拦污栅；栅前流速较大时，可以采用夹角较大的V形拦污栅，以减小栅面长度，节省材料。V形拦污栅上的拦截污物在水流作用下，沿平面栅的栅条向V形两侧滑移聚集。

设置V形拦污栅的泵站，可以省去清污工作桥，工程费用少；拦污阻力减小，泵站主机运行费用少。

采用流场数值计算的方法，某泵站分别采用V形和平面形拦污栅拦污，结合附图4～11计算结果，分别对其拦污流动作进一步说明。

图4为拦污栅倾角为75°，栅前水深为3.3m,栅前流速为1.0m/s，栅前水草团长3.5m,栅面堵塞深度为1.65m时，传统平面拦污栅拦污流动数值计算模型；图5为栅前水深为3.3m,栅前流速为1.0m/s，与图4中相同体积的水草聚集在V形拦污栅前拦污流动数值计算模型，其中V形拦污栅两夹角α=90°。改变两栅面夹角α的大小，可以得到V形拦污栅夹角为60°、45°时拦污流动计算模型。

图6为栅面夹角为90°的V形拦污栅拦污流动计算模型的网格剖分，采用适应性较强的非结构网格进行剖分，在栅条和横梁附近局部加密，其网格总数分别为1427802，其他计算模型网格划分方法相同。

图7和图8为栅前水深为3.3m,栅前流速为1.0m/s，上述相同体积水草堵塞分别平面形和α=90°V形拦污栅时拦污栅前、栅后水位，其中平面形拦污栅选取中间纵截面，V形拦污栅截面靠近一侧边壁。平面形拦污栅栅面堵塞深度为1.65m时，拦污水位差为0.52m，拦污栅前后水位差较大；而相同体积水草堵塞栅面夹角为90°的V形拦污栅时，其拦污水位差仅为0.16m，水位差明显减小。

图11和图12为V形拦污栅夹角分别为60°和45°且栅前水草体积与图2相同时的拦污栅前、栅后水位，两者的拦污水位差分别为0.14m和0.115m。与平面形拦污栅相比，分别采用夹角为90°、60°和45°的V形拦污栅，拦污水位差可分别减小0.36、0.38、0.405m，对装置扬程为5m的泵站，至少可分别减少能耗7.2%、7.6%、8.1%。当河面宽度一定时，V形拦污栅两栅面的长度随着栅面夹角α的减小而增大，栅前相同体积的污物堵塞时，栅面堵塞面积减小，过流断面增大，拦污水位差减小，但当夹角小于一定值时，随着夹角的减小，拦污水位差减小的并不明显，因此，考虑到栅体制作材料量和空间布置，V形拦污栅两栅面夹角不宜过小。

图9和图10为栅面夹角为90°的V形拦污栅和平面形拦污栅栅后1.0m处q断面流速分布。由图9知，V形拦污栅底部及上部未堵塞断面栅后流速较大，上部两侧堵塞部分流速较小且有回流出现。由图10知，平面形拦污栅栅后底部流速大，上部流速小，且有回流出现。由于V形拦污栅过流面积大，栅后的流态较平面形拦污栅好，V形拦污栅夹角越小，栅后流态越好。

Claims (1)

1.一种V形拦污栅，包括由栅条（1）、竖梁（2）、边梁（3）组成的平面栅，V形拦污栅的高度大于设置V形拦污栅的过流断面的水深度，其特征在于，所述V形拦污栅由两块平面栅成一定夹角固定在立柱上构成，立柱位于两块平面栅构成的V形角顶端，V形拦污栅的顶端迎向水流，V形拦污栅上的拦截污物沿平面栅的栅条向V形两侧滑移聚集，未堵塞过流面积大，拦污阻力小，便于在岸边人工及时清污；

所述拦污栅栅条水平设置，竖梁置于栅条后面竖直设置，便于水草沿栅面栅条向栅面两侧滑移聚集，同时便于清污，清污工作量小；

所述V形拦污栅夹角大小以能保证栅前水草在水流作用下能沿栅面向两侧滑移为宜，V形角的角度取a=30°~90°，流速小时取小值，流速大时取大值。