CN111501656A - 一种基于水泵射流的水动力提升装置及其性能测试方法和在水质提升的应用 - Google Patents

一种基于水泵射流的水动力提升装置及其性能测试方法和在水质提升的应用 Download PDF

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CN111501656A CN202010310210.6A CN202010310210A CN111501656A CN 111501656 A CN111501656 A CN 111501656A CN 202010310210 A CN202010310210 A CN 202010310210A CN 111501656 A CN111501656 A CN 111501656A
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Abstract

本发明公开了一种基于水泵射流的水动力提升装置及其性能测试方法和应用，装置包括若干水泵射流推流器，所述水泵射流推流器包括底板、隔水板、若干浮筒和若干水泵，所述浮筒设置在所述底板两侧，所述浮筒通过锚绳连接有若干锚，所述水泵并排安装在所述底板上，每个水泵的入水口连接有一条进水管，进水管的长度从中间位置向两侧依次递增，每个水泵的出水口连接有一条出水管，所有出水管长度一致，所述隔水板垂直固定在所述底板上，并将进水管和出水管分隔在所述隔水板两侧。本发明的水动力提升装置实现了一定区域内的水动力提升，所采用的测试方法也精确的量化了装置运行后水动力弱区的改善效果，为科学、经济地运行水动力装置，改善河道水动力条件提供决策依据。

Description

一种基于水泵射流的水动力提升装置及其性能测试方法和在 水质提升的应用
技术领域
本发明涉及水利技术，尤其涉及一种基于水泵射流的水动力提升装置及其性能测试方法和在水质提升的应用。
背景技术
流水不腐，户枢不蠹。近年来，众多河流的自然水文条件被人为改变，致使河流水动力条件发生显著变化；尤其是过多的闸坝的修建，虽然有利于提高水资源的利用效率，但容易导致河道局部区域水动力条件大幅减弱，水体交换能力较差，不利于流入河道中污染物的迁移扩散，从而加剧了水体的污染，对人们的生产生活造成影响。为了满足人们对生活环境的需要，提升河道水动力条件，不仅能增大河道流速，打造水流流动的效果，又能提高水体的复氧能力，加快污染物的降解，从而达到改善水质的目的。
现有技术多数采用调水引流的方式来控制并提高河道水动力条件，偶见使用独立或串联潜水泵用于改善水动力条件，但是效果有限。
此外，针对局部弱动力区域，由于水动力提升装置的运行效果往往受功率大小、河道水位、运行费用等多种因素制约，如何确定合适功率，如何实现经济高效的运行，如何定量评价装置运行后水动力弱区的改善效果，是现有水动力提升装置技术运用领域亟待解决的难点。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于水泵射流的水动力提升装置和对应的性能测试方法和在水质提升的应用。
技术方案：本发明所述的基于水泵射流的水动力提升装置，包括若干水泵射流推流器，所述水泵射流推流器包括底板、隔水板、若干浮筒和若干水泵，所述浮筒设置在所述底板两侧，所述浮筒通过锚绳连接有若干锚，所述水泵并排安装在所述底板上，每个水泵的入水口连接有一条进水管，进水管的长度从中间位置向两侧依次递增，每个水泵的出水口连接有一条出水管，所有出水管长度一致，所述隔水板垂直固定在所述底板上，并将进水管和出水管分隔在所述隔水板两侧。其中，所述水泵平卧式固定在所述底板上，所述水泵射流推流器设置有四个锚，分别安装在所述浮筒外侧底部的四个角落。
本发明提供的一种基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法包括如下步骤：
S1、获取水动力弱区域以及对应水泵射流推流器的尺寸；
S2、建立水动力弱区域和水泵射流推流器缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λL；
S3、获取水动力弱区域物理模型的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器物理模型放置在靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向；并以圆心为起点，布置m个径向等间隔的流速测点，再分别在每个流速测点所在圆周上，布置n个切向等间隔的断面流速测点；
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es，并按照能量比尺λE将设置的工况进行转换，得到水泵射流推流器物理模型的水泵能力为E1’,E2’,…,Es’，并根据E1’,E2’,…,Es’得到需要对应需要开启的水泵数量，其中，
Figure BDA0002457448770000021
Figure BDA0002457448770000022
S5、按照设置的工况启动对应数量的水泵，得到所有工况下所有流速测点的流速集合V’＝{v'j|j＝1,…,n*m}；
S6、将流速集合V’中所有流速按照流速比尺λv进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的流速集合为V＝{vj|j＝1,…,n*m}，其中，vj＝λvv'j，
Figure BDA0002457448770000023
S7、根据流速集合为V，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域流速越大，水动力提升性能越好。
本发明提供的另外一种基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法包括如下步骤：
S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：
(1)质量连续方程：
Figure BDA0002457448770000024
式中，u,v,w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，Ax,Ay,Az分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，RSOR为密度源项；
(2)动量方程：
Figure BDA0002457448770000031
Figure BDA0002457448770000032
Figure BDA0002457448770000033
式中,Gx,Gy,Gz分别是x、y和z三个方向的重力加速度；fx,fy,fz分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项Uw＝(uw，vw，ww)表示源组件三个方向的速度；项Us＝(us，vs，ws)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；VF是有自由面的流体体积分数,R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；
(3)湍流模型：
Figure BDA0002457448770000034
Figure BDA0002457448770000035
Figure BDA0002457448770000036
式中，kT为湍动能，PT为湍流产生项，GT为浮力产生项，
Figure BDA0002457448770000037
为扩散项，εT为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由kT和PT计算得到，vT为运动湍流粘度；
(4)流体分布：
流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：
Figure BDA0002457448770000038
Figure BDA0002457448770000039
式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υF为扩散系数，FSOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率；
S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×105Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气；
S3、建立水泵射流推流器的数学模型，获取水动力弱区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水动力弱区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向；
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es；
S5、水泵射流推流器分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布；
S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。
本发明所述的采用所述基于水泵射流的水动力提升装置的水质提升方法，包括：获取水质需提升区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水质需提升区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向，开启水泵。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明提供一种水动力弱区域水泵射流装置及其性能测试方法，通过物理模型和数学模型量化分析和预测水动力提升装置的整体和局部效果，最终结果也表明本发明装置改善了弱动力区域的水动力条件，增强区域的水流交换能力，为科学、经济地运行水动力装置，优化水动力提升方案，改善河道水动力条件提供决策依据。
附图说明
图1是本发明提供的水泵射流推流器的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是梅山水道及万人沙滩弱动力区域物理模型示意图；
图4是水泵射流推流器平面布置示意图；
图5是水泵射流沙滩附近流态图(a:水泵能力5000m3/h，顺时，b:水泵能力5000m3/h，逆时针，c:水泵能力10000m3/h顺时针，d:水泵能力10000m3/h，逆时针，e:水泵能力15000m3/h，顺时针,f:水泵能力15000m3/h，逆时针)；
图6是数值模拟水泵位置示意图；
图7是数值模拟的计算区域；
图8是不同工况下水动力弱区域整体的流速分布(a：工况1，b：工况2，c：工况3)；
图9是拦沙堤重点关注区域；
图10是不同工况下区域a附近的流速分布(a：工况1，b：工况2，c：工况3)；
图11是不同工况下区域b附近的流速分布(a：工况1，b：工况2，c：工况3)；
图12是万人沙滩弱动力区模拟区域；
图13是1.39m3/s时水质指标变化图(a：溶解氧，b：CODMn，c：硝态氮，d：氨氮，e：总磷)；
图14是2.78m3/s时水质指标变化图(a：溶解氧，b：CODMn，c：硝态氮，d：氨氮，e：总磷)；
图15是4.17m3/s时水质指标变化图(a：溶解氧，b：CODMn，c：硝态氮，d：氨氮，e：总磷)。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于水泵射流的水动力提升装置，包括若干水泵射流推流器，如图1和图2所示，水泵射流推流器包括底板1、隔水板2、若干浮筒3(图示为2个)和若干水泵4(图示为5个)；浮筒3设置在底板1两侧，底板1的另外两侧空着，通过连杆固定浮筒3，以使水可以进入底板1上，浮筒3通过锚绳连接有若干锚5，为了稳定性更好，可以设置四个锚5，分别安装在浮筒3外侧底部的四个角落；水泵4并排平卧式安装在底板1上，每个水泵4的入水口连接有一条进水管6，进水管的长度从中间位置向两侧依次递增，符合流速分布特征，可以减轻非均匀流对进水的影响，每个水泵的出水口连接有一条出水管7，所有出水管长度一致，可以减少出水间的干扰；隔水板2垂直固定在底板1上，并将进水管6和出水管7分隔在隔水板2两侧，防止进水和出水相互干扰；在使用时，可以通过调整浮筒3和锚5使水泵射流推流器漂浮在水中，并使底板1上水泵、进水管和出水管完全浸入水中。
本实施例还提供了上述基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法，具体提供了两种测试方法，一种是通过缩小的物理模型进行测试，另一种是通过数学模型进行测试。采用缩小物理模型进行测试的方法具体包括如下步骤：
S1、获取水动力弱区域以及对应水泵射流推流器的尺寸。
本实施例的水动力弱区域为梅山水道万人沙滩，梅山水道位于宁波市北仑区梅山岛西北侧，水道南北向长度11.5km，宽度500～800m，平均水深5～10m。梅山水道原为一条潮汐通道，平均潮差3.0m，涨落潮平均流速约0.3～0.5m/s，2012～2016年实施了在水道两端修建了南北两堤，南北两堤合龙后，水道内水动力大幅度减弱，同时水道周边还有十余条内河排水，造成水道内水环境问题日益突出。万人沙滩选址在梅山水道南堤北侧，北起梅山红桥附近，南至南堤，沙滩总体成弧型状，沙滩总长约1.88公里，万人沙滩平面总体成弧型状，拦沙堤的圆弧半径约340m。沙滩局部区域水动力微弱，易造成污染物集聚、水质差、容易暴发赤潮等灾害问题。整个水泵射流推流器长1200cm，宽1000cm，高200cm，进水管和出水管都在底板上。
S2、建立水动力弱区域和水泵射流推流器缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λL。
本实施例中，平面比尺λL＝64，采用正态模型，建立水动力弱区域缩小后的物理模型，具体如图3所示。模型试验除遵循水动力相似外，还必须遵循运动相似，为此，根据理论力学相关理论，推求相关比尺如下：设推流板刚体的角速度为ω(rad/s)，转速为w(r/min)，则有：角速度
Figure BDA0002457448770000061
根据角速度，推求线速度
Figure BDA0002457448770000062
遵循水流重力相似，可知线速度或流速比尺：
Figure BDA0002457448770000063
则各比尺如表1所示。
表1 模型比尺汇总
Figure BDA0002457448770000064
S3、获取水动力弱区域物理模型的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器物理模型放置在靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向；并以圆心为起点，布置m个径向等间隔的流速测点，再分别在每个流速测点所在圆周上，布置n个切向等间隔的断面流速测点。
本实施例中，中心坐标为X＝640417.4659Y＝93246.8982，根据沙滩湾的平面形势，拟平面上布置3组射流推流器(如图4所示)，推流器A距岸边约30m，射流器B、C、D距拦沙堤约30m，其坐标分别为：
A：X＝640562.8871，Y＝93001.8738；
B：X＝640259.7018，Y＝92965.0909；
C：X＝640109.5557，Y＝93156.2029；
D：X＝640286.8689，Y＝93544.6013。
射流器出口管道中心，安装在水面以下1.4m处，射流出口方向为绕圆弧中心的圆周切线方向；试验时进行射流方向为顺时针和逆时针方向的两种工况试验，顺时针时，射流推流器布置在A、B、D处，逆时针时，射流推流器布置在D、C、A处。并在拦沙堤及内、外侧20m和40m范围布置5个流速测点，再分别在每个流速测点所在圆周上，布置6个切向等角度间隔的断面流速测点。
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es，并按照能量比尺λE将设置的工况进行转换，得到水泵射流推流器物理模型的水泵能力为E1’,E2’,…,Es’，并根据E1’,E2’,…,Es’得到需要对应需要开启的水泵数量，其中，
Figure BDA0002457448770000071
Figure BDA0002457448770000072
本实施例中，设置3种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为5000m3/h,10000m3/h,15000m3/h。
能量比尺λE的计算过程为：面积比尺λA＝(λL)2，流速比尺
Figure BDA0002457448770000073
流量比尺
Figure BDA0002457448770000074
流量比尺λQ＝能量比尺λE。本实施例中能量比尺为32768，可以得到水泵射流推流器物理模型的水泵能力为5000/32768＝0.15m3/h＝150L/h，300L/h,450L/h，，若模型中设置单台水泵能力为150L/h，即可得到3种工况需要开启的水泵数量分别为1台、两台、三台。
S5、按照设置的工况启动对应数量的水泵，得到所有工况下所有流速测点的流速集合V’＝{v'j|j＝1,…,n*m}。
S6、将流速集合V’中所有流速按照流速比尺λv进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的流速集合为V＝{vj|j＝1,…,n*m}，其中，vj＝λvv'j，
Figure BDA0002457448770000075
本实施例中，水动力弱区域天然状态下的流速结果见表1～6，拦沙堤左、中、右流速特征值统计见表7～9，沙滩附近的流速分布见图5。
表1 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：顺时针，水泵能力5000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000081
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表2 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：逆时针，水泵能力5000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000082
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表3 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：逆时针，水泵能力10000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000083
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表4 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：逆时针，水泵能力10000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000084
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表5 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：顺时针，水泵能力15000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000091
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表6 射流推流时沙滩附近流速特征表
(推流方向：逆时针，水泵能力15000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000092
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表7 拦沙堤附近沿程平均流速特征
(水泵能力5000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000093
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表8 拦沙堤附近沿程平均流速特征
(水泵能力10000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000094
Figure BDA0002457448770000101
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
表9 拦沙堤附近沿程平均流速特征
(水泵能力15000m3/h，单位cm/s)
Figure BDA0002457448770000102
备注：c为拦沙堤，a、b、c、d、e各点间距均为20m。
S7、根据流速集合为V，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域流速越大，水动力提升性能越好。
由图表可见：
1、三种水泵射流能力情况下，沙滩附近均能形成绕圆弧圆周的条带交换水流，且表面存在不同程度的回流；
2、同等水泵能力时，逆时针所获得的交换流速略大于顺时针的流速；
3、在水泵能力为5000m3/h时，顺时针和逆时针喷射，沙滩部位拦沙堤附近获得的流速分别为13.39、13.79cm/s；在水泵能力为10000m3/h时，顺时针和逆时针喷射，沙滩部位拦沙堤附近获得的流速分别为17.36、17.88cm/s；在水泵能力为15000m3/h时，顺时针和逆时针喷射，沙滩部位拦沙堤附近获得的流速分别为22.13、22.53cm/s。
综上试验可见，水泵射流器在沙滩附近能形成较好的水流交换带，可达到增强沙滩部位的水体交换。
本实施例提供的另外一种基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法是通过数学建模实现，具体包括如下步骤：
S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：
(1)质量连续方程：
Figure BDA0002457448770000103
式中，u,v,w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，Ax,Ay,Az分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，RSOR为密度源项，可用于模拟例如通过多孔障碍物表面的质量注入；
(2)动量方程：
Figure BDA0002457448770000111
Figure BDA0002457448770000112
Figure BDA0002457448770000113
式中,Gx,Gy,Gz分别是x、y和z三个方向的重力加速度；fx,fy,fz分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项Uw＝(uw，vw，ww)表示源组件三个方向的速度；项Us＝(us，vs，ws)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；VF是有自由面的流体体积分数,R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；
(3)湍流模型：
Figure BDA0002457448770000114
Figure BDA0002457448770000115
Figure BDA0002457448770000116
式中，kT为湍动能，PT为湍流产生项，GT为浮力产生项，
Figure BDA0002457448770000117
为扩散项，εT为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由kT和PT计算得到，vT为运动湍流粘度；μ为分子动力粘度；ρ为流体密度；p为压力；CHRO是另一个湍流参数，其默认值为0.0，但对于热浮力流，则应选择为约2.5；υk是kT的扩散系数，并且是基于湍流粘度的局部值计算的。用户定义的参数RMTKE是用于计算湍流扩散系数的粘度系数(其值默认为1.0)。
(4)流体分布：
流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：
Figure BDA0002457448770000121
Figure BDA0002457448770000122
式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υF为扩散系数，FSOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率。项F的解释取决于要解决的问题的类型，不可压缩的问题必须涉及具有自由表面的单一流体或两种流体且没有自由表面。对于单一流体，项F表示流体占据的体积分数。因此，存在流体，则其中项F＝1，空隙区域对应于F＝0的位置。“空隙”是没有流体质量的区域，其具有分配给它们的均匀压力。在物理上，它们代表充满蒸汽或气体的区域，其密度相对于流体密度是微不足道的。
S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×105Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气。
本实施例中，所研究的水动力弱区域同上一个测试方法所实验的区域相同。划分的总网格单元数为1209314个，活动网格单元数为708092个。
S3、建立水泵射流推流器的数学模型，获取水动力弱区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水动力弱区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向。图6为水泵放置示意图，图7为数值模拟的计算区域。
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es。
本实施例中每台水泵的功率为5000m3/h。设计了3种工况，工况1的A、B和C，3个位置，每个位置放置1台水泵；工况2每个位置放置2台水泵；工况3每个位置放置3台水泵。如表10所示。
表10 工况设计
Figure BDA0002457448770000123
Figure BDA0002457448770000131
S5、水泵射流推流器分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布。
其中，有限差分法的求解步骤包括：
(1)通过动量方程进行显式近似，用于计算所有平流，压力和其他加速度的初始条件，或先前时间水平值对新的时间水平速度的第一次猜测。
(2)为了满足质量连续方程，当使用隐式选项时，在每个单元中迭代地调整压力，并且将由每个压力变化引起的速度变化加到步骤(1)中计算的速度上。需要迭代，因为一个单元中所需的压力变化将打乱六个相邻单元中的平衡。在显式计算中，仍然可以在每个单元内执行迭代以满足可压缩问题的状态方程。
(3)最后，当存在自由表面或流体界面时，使用流体分布的公式更新它，以提供新的流体分布。对于可压缩问题，必须更新密度和能量，以反映平流，扩散和源过程。
(4)重复以上步骤，在计算时间内逐步向精确解逼近。当然，在每个步骤中，必须在所有网格，障碍物和自由边界表面施加合适的边界条件。
在本研究中，采用有限差分法对计算区域进行离散后求解，网格统一设置为正方体，以提高计算精度和效率。
GMRES表示广义最小残差方法。除了GMRES求解器之外，FLOW3D还提供了一种新的可选算法-广义共轭梯度(GCG)算法，用于求解新GMRES求解器中的粘性项。这种新的求解器是一种高度准确和有效的方法，可以解决各种各样的问题。它具有良好的收敛性，对称性和求解速度；但是，它确实比SOR或SADI方法占用更多的内存。GMRES解算器不使用任何松弛因子。基于上述优势，在本实施例中，采用GMRES作为压力速度求解器。
S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。
对数值模拟结果，提取水平面以下1.15m的截面(水平面为z＝0m，即提取Z＝-1.15m的平面)处的流速分布图，分析拦沙堤附近的流速分布情况，及水动力弱区域整体的流速分布情况。图8为工况1到工况3，水动力弱区域整体的流速分布情况。由图8可知，在A、B和C三个位置放置水泵后，水动力弱区均得到不同程度的改善，拦沙堤附近的流速均得到不同程度的提高，且随着水泵功率的增加，拦沙堤附近的最大流速越来越大。流速最大的区域均出现在水泵射流中心附近，工况1水泵射流中心最大流速可到0.4m/s，工况2和工况3最大流速分别可达0.55m/s和0.6m/s。
在水动力弱区的圆心附近部分，由于离水泵射流较远，水泵射流对其影响较小，工况1到工况3，水动力弱区圆心附近区域流速在0.05m/s到0.1m/s之间。
为了重点研究分析拦沙堤附近水动力弱区改善情况，提取了区域a及区域b附近的流速分布图。选取区域图9所示。图10为工况1到工况3，区域a附近的流速分布情况。由图10可知，在A和B处放置水泵后，区域a附近水动力弱区均得到不同程度的改善，且随着放置水泵数量的增加，水动力弱区的流速也显著地增加，且水泵射流影响的范围也增大。工况1区域a附近大部分区域的流速，在0.1m/s到0.15m/s之间，局部范围流速可达0.25m/s；工况2区域a附近大部分区域的流速，在0.15m/s到0.2m/s之间；工况3区域a附近大部分区域的流速，在0.2m/s到0.35m/s之间。图11位不同工况下区域b附近的流速分布，由图11可知，在A和B处放置水泵后，区域b附近水动力弱区均得到不同程度的提高，随着放置水泵数量的增加，水动力弱区的流速也显著地增加，且水泵射流影响的范围也增大。工况1区域b附近大部分区域的流速，在0.05m/s到0.15m/s之间；工况2区域b附近大部分区域的流速，在0.05m/s到0.2m/s之间，局部区域流速高于0.2m/s；工况3区域b附近大部分区域的流速，在0.1m/s到0.25m/s之间，局部区域流速低于0.1m/s和高于0.25m/s。
对于水泵射流方案，物理模型实验的结果表明，当水泵能力为分别为5000m3/h、10000m3/h和15000m3/h时，拦沙堤附近的流速分别可达0.14m/s、0.18m/s和0.23m/s。数值模拟的结果表明，在万人沙滩圆心附近，由于距离水泵较远，流速较小，基本在0.05m/s到0.1m/s之间；在拦沙堤附近，受水泵影响，拦沙堤附近的流速均得到不同程度的提高，且随着水泵能力的增加，提升的效果越明显。当水泵能力为5000m3/h，拦沙堤附近流速提高到0.05m/s到0.15m/s之间；当水泵能力为10000m3/h，拦沙堤附近流速提高到0.05到0.2m/s之间；当水泵能力为15000m3/h，拦沙堤附近流速提高到0.1m/s到0.25m/s之间。物理模型实验和数值模拟计算结果均表明水动力弱区的提升效果显著。
此外，该水动力提升装置还可用于水质提升中，具体方法包括：获取水质需提升区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水质需提升区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向，开启水泵。下面对水质提升效果进行验证，将水泵射流措施应用万人沙滩弱动力区，构建水动力水质模型，模拟弱动力区域的水动力水质变化。设置三台水泵全开的三种工况，分别为水泵功率5000m3/h(1.39m3/s)、水泵功率10000m3/h(2.78m3/s)、水泵功率15000m3/h(4.17m3/s)。模型的初始条件是热启动，设置降雨期后水道内的水质为模型初始值，模拟的时间为6d，时间步长设置为2s，曼宁系数在0.02-0.04之间。输出模型结果，重点分析弱动力区域1号点位、2号点位、3号点位的水质变化，如图12所示。
表11 工况设置
Figure BDA0002457448770000151
(1)工况一水质改善效果分析
工况一即水泵能力为5000m3/h(1.39m3/s)时的水质变化图如图13所示，在工况一水泵能力为5000m3/h作用下，水泵开启运行1天，三个点位溶解氧浓度均有所升高，运行第2天至第4天，由于水体中污染物降解消耗导致3个点位溶解氧浓度有所降低；从第5天开始，三个点位溶解氧呈明显上升趋势。
化学需氧量，硝态氮，氨氮浓度变化总体趋势一致；万人沙滩岸边2号点位处指标浓度一致处于下降趋势；1号点位先上升再下降，上升可能是由于2号点位的污染物输移至该处短暂聚集导致，在措施运行后第5天明显降低；南堤附近3号点位浓度变化相对平缓，从第5天出现下降趋势。
总体而言，在工况一即水泵能力为5000m3/h作用下，水泵开启1天对水质虽然稍有改善，但改善幅度较小；开启第5天后，水质改善出现较为明显的效果。
(2)工况二水质改善效果分析
对工况为2.78m3/s水动力提升措施下水质改善效果分析，水质图如图14所示，在工况二即水泵能力为10000m3/h的作用下，水泵开启运行1天，三个点位溶解氧浓度均有大幅度升高，之后稳定维持在溶解氧较高的水平。
化学需氧量，硝态氮，氨氮浓度变化总体趋势一致；水泵开启1天内，污染物浓度均大幅降低，之后几天的变化幅度较小。不同点位而言，沙滩沿岸2号点位的效果最为明显，1号点位效果居中，南堤3号位置效果较次。
因此，对于工况二水水泵能力为10000m3/h情况而言，水泵开启短时间能就能达到较为明显的效果，适用于短期开启应急的情况。
(3)工况三水质改善效果分析
分析工况为4.17m3/s水动力提升措施下水质改善效果，水质图如图15所示：在工况三即水泵能力15000m3/h功率的作用下，水泵开启运行0.5天，三个点位溶解氧浓度均有所升高，运行第0.5天至第2.5天，由于水体中污染物降解消耗导致3个点位溶解氧浓度有所降低；从第2.5天以后，三个点位溶解氧呈明显上升趋势。
化学需氧量，硝态氮，氨氮浓度变化总体趋势一致；水泵开启0.5天后至2.5天，各点指标浓度均有升高，大功率水泵推流可能一定程度加速了沉积物的释放速率，1号点位的浓度升高则主要由于污染物短期聚集引起。2.5天后，1号点位及2号点位污染物浓度均有所下降，3号点位效果不明显。
因此，对于工况三水泵能力为15000m3/h情况而言，大功率水泵推流有加速沉积物的释放的风险，综合水质改善效果及经济花费两个方面，此工况不推荐。
综合三种不同的水泵功率，在工况一即水泵能力为5000m3/h作用下，水泵开启1天对水质虽然稍有改善，但改善幅度较小；开启第5天后，水质改善出现较为明显的效果。当水泵能力为10000m3/h时，水泵开启短时间能就能达到较为明显的水质改善效果，能适用于短期应急的情况。
对于本底水质较好的情况，推荐采用能力为5000m3/h的水泵，即可达到改善水质的效果，当水质较差时，可延长开启时间。对于本底水质较差或者经费充足的情况而言，推荐能力为10000m3/h的水泵，能在1天内达到较为明显的水质改善效果。比较弱动力区不同位置的效果，沙滩前沿处的效果最为明显，沙滩北角效果次之，沙滩南部靠近南堤处效果较差，需结合换水方案改善水质。

Claims (6)

1.一种基于水泵射流的水动力提升装置，其特征在于：包括若干水泵射流推流器，所述水泵射流推流器包括底板、隔水板、若干浮筒和若干水泵，所述浮筒设置在所述底板两侧，所述浮筒通过锚绳连接有若干锚，所述水泵并排安装在所述底板上，每个水泵的入水口连接有一条进水管，进水管的长度从中间位置向两侧依次递增，每个水泵的出水口连接有一条出水管，所有出水管长度一致，所述隔水板垂直固定在所述底板上，并将进水管和出水管分隔在所述隔水板两侧。
2.根据权利要求1所述的基于水泵射流的水动力提升装置，其特征在于：所述水泵平卧式固定在所述底板上。
3.根据权利要求1所述的基于水泵射流的水动力提升装置，其特征在于：所述水泵射流推流器设置有四个锚，分别安装在所述浮筒外侧底部的四个角落。
4.一种权利要求1所述基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、获取水动力弱区域以及对应水泵射流推流器的尺寸；
S2、建立水动力弱区域和水泵射流推流器缩小后的物理模型，其中，缩小比例为预设平面比尺λL；
S3、获取水动力弱区域物理模型的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器物理模型放置在靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向；并以圆心为起点，布置m个径向等间隔的流速测点，再分别在每个流速测点所在圆周上，布置n个切向等间隔的断面流速测点；
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es，并按照能量比尺λE将设置的工况进行转换，得到水泵射流推流器物理模型的水泵能力为E1’,E2’,…,Es’，并根据E1’,E2’,…,Es’得到需要对应需要开启的水泵数量，其中，
Figure FDA0002457448760000011
Figure FDA0002457448760000012
S5、按照设置的工况启动对应数量的水泵，得到所有工况下所有流速测点的流速集合V’＝{v'j|j＝1,…,n*m}；
S6、将流速集合V’中所有流速按照流速比尺λv进行换算，得到水动力弱区域天然状态下的流速集合为V＝{vj|j＝1,…,n*m}，其中，vj＝λvv'j，
Figure FDA0002457448760000013
S7、根据流速集合为V，得到水动力提升装置的性能，其中，弱动力区域流速越大，水动力提升性能越好。
5.一种权利要求1所述的基于水泵射流的水动力提升装置的性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、建立水动力弱区域的水动力数学模型，具体包括：
(1)质量连续方程：
Figure FDA0002457448760000021
式中，u,v,w为笛卡尔坐标系x、y和z三个方向的速度分量，Ax,Ay,Az分别是在x、y、z方向上可流动的面积分数，ρ为流体密度，RSOR为密度源项；
(2)动量方程：
Figure FDA0002457448760000022
Figure FDA0002457448760000023
Figure FDA0002457448760000024
式中,Gx,Gy,Gz分别是x、y和z三个方向的重力加速度；fx,fy,fz分别是x、y和z三个方向的粘滞力加速度；项Uw＝(uw，vw，ww)表示源组件三个方向的速度；项Us＝(us，vs，ws)表示源表面处的流体相对于源本身三个方向的速度；VF是有自由面的流体体积分数,R是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为1，δ表示一个系数，取0时，表示压力边界条件为滞压型，取1时，表示压力边界条件为静压型；
(3)湍流模型：
Figure FDA0002457448760000025
Figure FDA0002457448760000026
Figure FDA0002457448760000027
式中，kT为湍动能，PT为湍流产生项，GT为浮力产生项，DiffkT为扩散项，εT为湍动能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU为用户定义参数，默认值分别是1.39，1.42和0.085，CDIS2由kT和PT计算得到，vT为运动湍流粘度；
(4)流体分布：
流体分布根据流体体积函数F(x，y，z，t)来定义，该函数表示每单位体积的流体#1的体积，且满足如下等式：
Figure FDA0002457448760000031
Figure FDA0002457448760000032
式中：F是函数F(x，y，z，t)缩写，ζ是坐标系数，当选用笛卡尔坐标系时其值为0，υF为扩散系数，FSOR是密度源项，是与质量源相关的流体#1的体积分数时间变化率；
S2、获取水动力弱区域的边界，并采用六面体结构化网格划分为若干网格，水动力弱区域四周及底部均采用无划移Wall边界，顶部设置为压力边界，大气压强为1.01×105Pa，流体分数设置为0，表示完全是空气；
S3、建立水泵射流推流器的数学模型，获取水动力弱区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水动力弱区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向；
S4、设置S种工况，具体为分别设置水泵射流推流器水泵能力为E1,E2,…,Es；
S5、水泵射流推流器分别按照设置的工况启动，通过建立的水动力数学模型追踪自由表面流动，确定自由液面位置，并基于有限差分法对模型进行离散求解和GMRES隐式求解器计算，得到所有工况下各区域速度分布；
S6、根据各工况下各区域速度分布，得到水动力提升装置的性能，其中，流速越大，水动力提升性能越好。
6.一种采用权利要求1所述基于水泵射流的水动力提升装置的水质提升方法，其特征在于包括：获取水质需提升区域的中心点，并以中心点为圆点，将若干水泵射流推流器放置在水质需提升区域靠近岸边的圆周上，水泵射流推流器的出水管道方向为圆周的切线方向，开启水泵。
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