CN115935692B - 一种γ形扩散器初始稀释度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法，包括：收集信息；确定类型；单喷口扩散器计算，包括：确定喷管内径；确定喷口高度；确定水平夹角和初始稀释度；确定出流仰角。多喷口计算，包括：确定母管走向；寻找稀释度最大对应的角；计算不同喷管数量对应的喷管内径；计算喷管间距；计算不同扩散器长度对应的初始稀释度；计算局部阻力损失；确定喷管长度、内径、扩散器长度。本发明针对Γ型扩散器，首先将其分类为单喷口与多喷口，以增强环境水体对污水废水的掺混稀释能力，提高排放口初始稀释度为目标，提出扩散器优化方法和稀释度计算公式。本发明所述方法，为符合排放标准的污水、废水排海工程设计及环境影响快速评估提供了技术依据。

Description

一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法

技术领域

本发明涉及一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法，是一种水工设计计算方法，是一种用于低污染废水排放管道出口的设计计算方法。

背景技术

在沿海人口密集、经济发达地区，生活污水与低污染工业废水年排放总量可达几十亿吨。此外，采用直流循环冷却方式的火电厂、核电厂目前大部分也建在沿海，运行期间会将蕴含巨大热量的温排水连续不断排入环境海域。通常情况下，工业废水、温排水在排放口处的浓度或温度不满足水质标准，为此需在排口附近设置混合区。排放口近区的稀释度决定了混合区的大小，对于排海工程设计与环境影响评价具有重要的意义。

低污染工业废水与电厂温排水，往往从排放口以一定速度排入海域，并且排水密度小于环境水体，表现为浮力射流的运动形式，其在海域中的稀释扩散大致经历初始稀释和后续稀释两个阶段。初始稀释度是指污、废水由扩散器排出后，在出口动量和浮力作用下与环境水体混合并被稀释，在出口动量与浮力作用基本完结时被稀释的倍数。初始稀释度决定了废水或温排水混合区的大小，也是决定排放口设计成功与否的关键因素。

Γ型扩散器在受纳水体的水深几十米甚至百米左右的排海工程中常有应用，在沿海近岸地形坡度较缓的排放水域，在水深相对较浅的情况下，缺乏相应的稀释度计算公式为排口设计、环境影响快速评估作为技术支撑。Γ型扩散器在浅水域的排放计算是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法。所述的方法适用于河口、海洋采用Γ型扩散器排放的化工厂、污水处理厂等类似排海工程的排口设计与环境影响快速评估，是一种充分利用环境来流条件、排放出流条件实现废水排放快速掺混稀释，降低排口近区浓度影响的优化方法及稀释度快速估算方法。

本发明的目的是这样实现的：一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤1，收集信息：对设置Γ形扩散器的工程位置进行勘察，收集环境流参数：水深H、环境流速U_a；以及排放参数：初始稀释度C_o为排放浓度、C为初始稀释度；

步骤2，确定Γ形扩散器的类型：根据各项参数确有使用单喷口扩散器或多喷口扩散器；

根据扩散器类型分别进行步骤3或步骤4：

步骤3，单喷口Γ形扩散器优化计算如下：

(1)确定喷管内径D：按照喷口的出流流速U_o、输入排放流量Q_o计算喷管内径D：

(2)确定喷口高度H_o：H_o大于备淤深度；

(3)优化确定水平夹角σ：针对出流流速U_o＝2m/s、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°水平夹角σ的初始稀释度：

S＝-0.0019σ²+0.244σ+58.671；

绘制S～σ曲线，通过S～σ曲线寻找稀释度最大对应的水平夹角σ；

(4)优化确定出流仰角θ：针对出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝60°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同仰角θ的初始稀释度：

S＝0.0035θ²-0.7327θ+74.043；

绘制S～θ曲线，通过S～θ曲线寻找稀释度最大对应的出流仰角θ；

步骤4，多喷口Γ形扩散器优化计算：

(1)优化确定Γ形扩散器母管走向：针对喷口出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝0°、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同母管轴线与环境流夹角γ角情况下的初始稀释度S：

S＝0.0318γ²+0.7681γ+71.423；

绘制S～γ曲线，通过S～γ曲线寻找稀释度最大对应的γ角；

(2)计算不同喷管数量n对应的喷管内径D：按照喷口出流流速U_o＝2m/s，输入排放流量Q_o，计算不同喷管数量n(3≤n≤9)对应的喷管内径D：

(3)计算喷管间距L_s：

(4)计算不同喷管数量n对应的扩散器长度L_D：

L_D＝(n-1)L_s；

(5)计算不同扩散器长度L_D对应的初始稀释度：

S＝13.393L_D-0.1802；

(6)计算不同喷管数量n对应的局部阻力损失h_ξ：

(7)从初始稀释度尽量大、局部阻力损失尽量小的原则出发，结合第(5)条与第(6)条，寻找最佳喷管数量n’；具体方法是：根据第(5)条绘制S～n关系曲线；根据第(6)条绘制关系曲线；寻找与两条曲线交点最近的n值；

(8)确定优化后的扩散器喷管内径D’、扩散器长度L_D’：

L_D’＝(n’-1)L_s。

本发明的优点和有益效果是：本发明针对Γ型扩散器，首先将其分类为单喷口与多喷口，以增强环境水体对污水废水的掺混稀释能力，提高排放口初始稀释度为目标，提出扩散器优化方法和稀释度计算公式。本发明所述方法，为符合排放标准的污水、废水排海工程设计及环境影响快速评估提供了技术依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所述Γ形多喷口扩散器的结构示意图；

图2是本发明实施例所述Γ形单喷口扩散器或图1中的多喷口扩散器单个喷口的A向结构示意图；

图3是本发明实施例所述Γ形单喷口扩散器或图1中的多喷口扩散器单个喷口的B向结构示意图；

图4是本发明实施例的应用实例一所述的S～σ关系曲线；

图5是本发明实施例的应用实例一所述的S～θ关系曲线；

图6是本发明实施例的应用实例二所述的S～γ关系曲线；

图7是本发明实施例的应用实例二所述的S～n和关系曲线。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法，所述的Γ形扩散器结构如图1、2、3所示(图1、2、3的左上角是以水平面为XY平面的三维坐标系，用以表达图形之间以及各个要素之间的空间位置关系)。Γ形扩散器可分为单喷口扩散器、多喷口扩散器两类。图1是具有5个喷口的多喷口扩散器，图2为单喷口扩散器的示意图，也是多喷口扩散器一个喷口的侧视图(图1中A向视图)。图3也是单喷口扩散器的示意图，也是多喷口扩散器一个喷口的俯视图(图1中B向视图)。单喷口扩散器、多喷口扩散器结构参数主要包括：喷管内径D、喷口高度H_o。多喷口扩散器的结构参数还包括：喷管数量n、喷管间距L_s、扩散器长度L_D。出流参数主要包括：出流流速U_o、水平夹角σ(U_o与环境来流U_a的水平夹角)、出流仰角θ(U_o与水平面的夹角)，对多喷口扩散器还包括母管轴线与环境流U_a的夹角γ，母管轴线是多根母管底端的中线连线，如图1所示。环境流参数：水深H、环境流速U_a。初始稀释度C_o为排放浓度、C为初始稀释度。

所述的方法包括如下步骤：

步骤1，收集信息：对设置Γ形扩散器的工程位置进行勘察，收集环境流参数：水深H、环境流速U_a；以及排放参数：初始稀释度C_o为排放浓度、C为初始稀释度；

步骤2，确定Γ形扩散器的类型：根据各项参数确有使用单喷口扩散器或多喷口扩散器。

根据扩散器类型分别进行步骤3或步骤4：

步骤3，单喷口Γ形扩散器优化计算如下：

(1)确定喷管内径D：按照喷口的出流流速U_o、输入排放流量Q_o计算喷管内径D：

为防止喷管堵塞，要求D≥0.15m。

(2)确定喷口高度H_o：H_o大于备淤深度；

喷口高度H_o的取值范围2D～10D。

(3)优化确定水平夹角σ：针对出流流速U_o＝2m/s、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°水平夹角σ的初始稀释度：

S＝－0.0019σ²+0.244σ+58.671；

绘制S～σ曲线，通过S～σ曲线寻找稀释度最大对应的水平夹角σ；

(4)优化确定Γ形扩散器母管走向：针对喷口出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝0°、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同母管轴线与环境流夹角γ角情况下的初始稀释度S：

S＝0.0035θ²-0.7327θ+74.043；

绘制S～θ曲线，通过S～θ曲线寻找稀释度最大对应的出流仰角θ；

为防止污水、废水触底，要求出流仰角θ≥10°。

步骤4，多喷口Γ形扩散器优化计算：

(1)优化确定扩散器母管走向(母管轴线与环境流夹角γ角)：针对喷口出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝0°、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同γ角情况下的初始稀释度S：

S＝0.0318γ²+0.7681γ+71.423；

绘制S～γ曲线，通过S～γ曲线寻找稀释度最大对应的γ角；

(2)计算不同喷管数量n对应的喷管内径D：按照喷口出流流速U_o＝2m/s，输入排放流量Q_o，计算不同喷管数量n(3≤n≤9)对应的喷管内径D：

为防止喷管堵塞，要求D≥0.15m。

(3)计算喷管间距L_s：

(4)计算不同喷管数量n对应的扩散器长度L_D：

L_D＝(n-1)L_s；

(5)计算不同扩散器长度L_D对应的初始稀释度：

S＝13.393L_D-0.1802；

喷管数量n越大、扩散器长度越大，初始稀释度越大。

(6)计算不同喷管数量n对应的局部阻力损失h_ξ：

ξ为每根喷管的局部阻力损失系数，喷管数量n越多，局部阻力损失越大。

(7)从初始稀释度尽量大、局部阻力损失尽量小的原则出发，结合第(5)条与第(6)条，寻找最佳喷管数量n’；具体方法是：根据第(5)条绘制S～n关系曲线；根据第(6)条绘制关系曲线；寻找与两条曲线交点最近的n值；

(8)确定优化后的扩散器喷管内径D’、扩散器长度L_D’：

L_D’＝(n’-1)L_s。

应用实例一，单喷口Γ形扩散器：

某工业废水排海，排放流量Q_o＝0.3m³/s，拟采用Γ型单喷口扩散器。

(1)确定喷管内径D：排放流量Q_o＝0.3m³/s、出流流速U_o＝2m/s，喷管内径大于防堵塞的最小内径0.15m，满足要求。

(2)确定喷口高度H_o：H_o＝2D～10D＝0.87m～4.37m，取H_o＝1m。

(3)优化确定水平夹角σ：针对出流流速U_o＝2m/s、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算不同水平夹角σ(0°～90°)的初始稀释度S＝－0.0019σ²+0.244σ+58.671。S～σ关系曲线见图4，可以发现初始稀释度最大的水平夹角σ大约为60°。因此，本扩散器取σ＝60°。

(4)优化确定出流仰角θ：针对出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝60°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算不同仰角θ(0°～90°)的初始稀释度S＝0.0035θ²－0.7327θ+74.043，S～θ关系曲线见图5。稀释度S随仰角增大而减小，仰角θ＝0°稀释度最大，为防止污水触底，取θ＝10°。

应用实例二，多喷口Γ形扩散器：

某工业废水排海，排放流量Q_o＝0.3m³/s，拟采用Γ型多喷口扩散器。

(1)优化确定扩散器母管走向(母管轴线与环境流夹角γ角)：针对喷口出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝0°、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算不同γ角(0°～90°)情况下的初始稀释度S＝0.0318γ²+0.7681γ+71.423，S～γ关系曲线见图6。可以看出：γ＝90°，扩散器母管垂直于环境来流布置时稀释度最大。因此，本扩散器取γ＝90°。

(2)计算不同喷管数量n对应的喷管内径D：按照喷口出流流速U_o＝2m/s，输入排放流量Q_o，计算不同喷管数量n(3≤n≤9)对应的喷管内径D。n＝3时，D＝0.252m；n＝4时，D＝0.219m；n＝5时，D＝0.195m；n＝6时，D＝0.178m；n＝7时，D＝0.165m；n＝8时，D＝0.155m；n＝9时，D＝0.146m。可以看出，n＝9时不满足防淤堵最小管径要求。

(3)计算喷管间距L_s：环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，出流流速U_o＝2m/s，计算可得L_s＝5.125m。

(4)计算不同喷管数量n对应的扩散器长度L_D：L_D＝(n-1)L_s。n＝3时，L_D＝10.25m；n＝4时，L_D＝15.375m；n＝5时，L_D＝20.5m；n＝6时，L_D＝25.625m；n＝7时，L_D＝30.75m；n＝8时，L_D＝35.875m。

(5)计算不同扩散器长度L_D对应的初始稀释度：S＝13.393L_D-0.1802。n＝3时，S＝137.1m；n＝4时，S＝205.7m；n＝5时，S＝274.4m；n＝6时，S＝343m；n＝7时，S＝411.7m；n＝8时，S＝480.3m。

(6)计算不同喷管数量n对应的局部阻力损失h_ξ：ξ为每根喷管的局部阻力损失系数。查阻力手册，得到每个喷管的局部阻力系数ξ＝1.8(包含了分流三通、喷管出口)。相应的局部阻力损失h_ξ分别为：n＝3时，h_ξ＝1.102m；n＝4时，h_ξ＝1.469m；n＝5时，h_ξ＝1.837m；n＝6时，h_ξ＝2.204m；n＝7时，h_ξ＝2.571m；n＝8时，h_ξ＝2.939m。

(7)确定最佳喷管数量n’：S～n关系曲线、关系曲线见图7，离两条曲线交点最近的n值为n’＝5。例如图7中两条曲线交点对应的n＝5.4，取整后n＝5。

(8)确定最优扩散器结构参数：扩散器母管垂直于环境流布置，喷管数量n’＝5、喷管内径D’＝0.195m、喷管间距L_s＝5.125m、扩散器长度L_D’＝20.5m。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如Γ形扩散器结构形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种Γ形扩散器初始稀释度计算方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

步骤1，收集信息：对设置Γ形扩散器的工程位置进行勘察，收集环境流参数：环境水深H、环境流速U_a；以及排放参数：初始稀释度C_o为排放浓度、C为初始稀释度；

步骤2，确定Γ形扩散器的类型：根据各项参数确有使用单喷口扩散器或多喷口扩散器；

根据扩散器类型分别进行布置3或步骤4：

步骤3，单喷口Γ形扩散器优化计算如下：

(1)确定喷管内径D：按照喷口的出流流速U_o、输入排放流量Q_o计算喷管内径D：

(2)确定喷口高度H_o：H_o大于备淤深度；

(3)优化确定水平夹角σ：针对出流流速U_o＝2m/s、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°水平夹角σ的初始稀释度：

S＝-0.0019σ²+0.244σ+58.671；

绘制S～σ曲线，通过S～σ曲线寻找稀释度最大对应的水平夹角σ；

(4)优化确定出流仰角θ：针对出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝60°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同仰角θ的初始稀释度：

S＝0.0035θ²-0.7327θ+74.043；

绘制S～θ曲线，通过S～θ曲线寻找稀释度最大对应的出流仰角θ；

步骤4，多喷口Γ形扩散器优化计算：

(1)优化确定Γ形扩散器母管走向：针对喷口出流流速U_o＝2m/s、水平夹角σ＝0°、出流仰角θ＝10°、环境流速U_a＝0.4m/s、环境水深H＝10m，计算0°～90°不同母管轴线与环境流夹角γ角情况下的初始稀释度S：

S＝0.0318γ²+0.7681γ+71.423；

绘制S～γ曲线，通过S～γ曲线寻找稀释度最大对应的γ角；

(2)计算不同喷管数量n对应的喷管内径D：按照喷口出流流速U_o＝2m/s，输入排放流量Q_o，计算不同喷管数量n(3≤n≤9)对应的喷管内径D：

(3)计算喷管间距L_s：

(4)计算不同喷管数量n对应的扩散器长度L_D：

L_D＝(n-1)L_s；

(5)计算不同扩散器长度L_D对应的初始稀释度：

S＝13.393L_D-0.1802；

(6)计算不同喷管数量n对应的局部阻力损失hξ：

ξ为每根喷管的局部阻力损失系数；

(7)从初始稀释度尽量大、局部阻力损失尽量小的原则出发，结合第(5)条与第(6)条，寻找最佳喷管数量n’；具体方法是：根据第(5)条绘制S～n关系曲线；根据第(6)条绘制关系曲线；寻找与两条曲线交点最近的n值；

(8)确定优化后的扩散器喷管内径D’、扩散器长度L_D’：

L_D’＝(n’-1)L_s。