施利鋒

（浙江東嘉水務(wù)有限公司，浙江 杭州 310053）

我國是水資源貧乏的國家，人均水資源占有率僅為世界平均水平的1/4。由于城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此城市人口每天產(chǎn)生的污水量極大。最新的數(shù)據(jù)顯示，我國各大城市每年的污水排放量為1000 億m3，日均污水排放量為37億t。在這種情況下，各大城市都建造了不同數(shù)量的污水處理廠，并配置各種排污設(shè)備和污水處理設(shè)備，以緩解城市污水排放導(dǎo)致的一系列壓力。在各種污水處理設(shè)備中都包括不同類別的元件，如閥類裝置、泵類裝置、風(fēng)機(jī)類裝置以及除泥沙類裝置等[1]。其中輸送泵是進(jìn)行污水傳送的重要裝置，對(duì)排污除污有十分重要的作用。然而，污水中含有的固體雜質(zhì)主要是各種尺度大小的砂粒，對(duì)輸送泵及其關(guān)鍵部件有較大的影響[2]。如果不能準(zhǔn)確分析并了解污水雜質(zhì)對(duì)輸送泵的影響強(qiáng)弱和規(guī)律，就不能正常使用輸送泵不能張，對(duì)污水處理的整體工作也會(huì)造成十分不利的影響。該文以輸送泵配件V 型槽為研究對(duì)象，探討污水中雜質(zhì)對(duì)其產(chǎn)生的影響，以達(dá)到有效保護(hù)輸送泵的目的。

1 污水流體及輸送泵V 型槽建模

污水中雜質(zhì)對(duì)排污裝置的沖蝕磨損等影響是以污水水流為載體的。該文以輸送泵中的V 型槽為研究對(duì)象，分析污水流經(jīng)輸送泵的V 型槽時(shí)，水中雜質(zhì)對(duì)V 型槽所造成的影響。需要對(duì)污水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行流體力學(xué)建模，同時(shí)對(duì)輸送泵的V 型槽建模。在三維仿真軟件中，污水流體力學(xué)建模和輸送泵V 型槽建模結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 中，圖1（a）為污水流動(dòng)過程中形成的流體域模型，圖中也標(biāo)注了流體域的幾何尺寸，用長(zhǎng)方體網(wǎng)格描述流體域整體，其進(jìn)水口（Inlet）是邊長(zhǎng)為40mm 的正方形形狀，其出水口（Outlet）也是邊長(zhǎng)為40mm 的正方形形狀。圖1（b）為輸送泵V 型槽的局部形式俯視圖。輸送泵V 型槽的長(zhǎng)度為40mm，開口形狀為倒三角形，最大開口寬度位于最上方，開口度大小為4mm，V 型槽的深度為3mm。與輸送泵V 型槽的最大液量開度（1GL）相比，流體域模型進(jìn)水口一側(cè)液量開度為其20 倍，即20 個(gè)GL；流體域模型出水口一側(cè)液量開度為其10 倍，即10 個(gè)GL；從圖1（a）中也可以看出，進(jìn)水口和出水口之間用1 個(gè)GL 的液量開度單位進(jìn)行連接。圖1（c）為污水流體域的三維網(wǎng)格圖，圖1（d）為V 型槽界面的三維網(wǎng)格圖。

圖1 污水流體建模和輸送泵V 型槽建模結(jié)果

當(dāng)污水流經(jīng)V 型槽時(shí)，對(duì)V 槽沖蝕磨損的作用主要來自于污水中的雜質(zhì)，即各種粒徑大小的固體小砂粒。根據(jù)該文研究的實(shí)際情況，污水中的雜質(zhì)通常包括粒徑為20μm 大小的砂粒，粒徑為75μm 大小的砂粒，粒徑為125μm大小的砂粒，粒徑為300μm 大小的砂粒，粒徑為425μm 大小的砂粒。由于粒徑不同，因此磨損作用有差異，污水中砂粒濃度的不同也會(huì)導(dǎo)致沖蝕作用的不同。根據(jù)該文研究的實(shí)際情況，污水的類型通常包括雜質(zhì)為1%濃度大小的污水，雜質(zhì)為3%濃度大小的污水，雜質(zhì)為5%濃度大小的污水，雜質(zhì)為10%濃度大小的污水，雜質(zhì)為20%濃度大小的污水。

2 污水雜質(zhì)對(duì)輸送泵的沖蝕磨損分析

在構(gòu)建污水流體模型和輸送泵V 型槽模型后，需要運(yùn)用流體力學(xué)進(jìn)一步分析污水中雜質(zhì)對(duì)輸送泵V型槽的沖蝕磨損等作用。因?yàn)槲鬯鲃?dòng)的過程符合湍流狀態(tài)，所以可以運(yùn)用湍流模型進(jìn)行相關(guān)分析。在湍流模型中，最常用的是離散相變模型，這里就采用該模型進(jìn)行具體分析。

在整個(gè)流體作用場(chǎng)內(nèi)，散布著各種粒徑大小的砂粒，這些砂粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，都可以根據(jù)離散相變模型進(jìn)行計(jì)算。前面的建模工作，可以具體到對(duì)每個(gè)砂粒進(jìn)行形狀和體積建模，只要能提供足夠多的相關(guān)信息，包括粒徑大小、砂粒所在的位置等。但是建模過程中不能以砂粒周邊污水作為流體的流動(dòng)細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)包括污水形成渦流的狀態(tài)，污水是否會(huì)形成流動(dòng)分離，污水整體內(nèi)部是否會(huì)出現(xiàn)分層和邊界等。

根據(jù)拉格朗日的視圖學(xué)分析理論，污水作為流體流動(dòng)過程中的砂粒運(yùn)動(dòng)是可以被有效跟蹤的。砂粒和其形成的連續(xù)相變之間形成耦合關(guān)系，但是這種連續(xù)相變不容易進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過程很難達(dá)到收斂狀態(tài)。為此，需要通過更多的迭代步驟才能完成這種收斂。為了準(zhǔn)確地了解污水中雜質(zhì)砂粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，一般每隔5 步就需要更新迭代一次，這樣才能準(zhǔn)確了解砂粒狀態(tài)，由此可以得到砂粒在整個(gè)流體體積中的最大占比為12%，如公式（1）~公式（3）所示。

式中：ρ為污水的整體密度大?。籚S為砂粒的總體體積大??；VL為水的總體體積大??；MS為砂粒的總體質(zhì)量大??；ML為水的總體質(zhì)量大小。

根據(jù)公式（3）可知，離散相變模型污水質(zhì)量濃度的上限不能超過17.42%，進(jìn)一步可以確定試驗(yàn)中能夠模擬的污水中雜質(zhì)的最高濃度為20%。

當(dāng)污水中砂粒和輸送泵外殼上的V 型槽產(chǎn)生碰撞時(shí)，形成的沖蝕和作用強(qiáng)度由變形量決定。如果砂粒和V 型槽都是剛體，那么在碰撞發(fā)生的過程中，可以通過二者之間的重疊度來衡量這個(gè)變形量的大小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，在正常碰撞發(fā)生時(shí)，法向上作用力的彈性系數(shù)要滿足以下條件：為了保證發(fā)生碰撞的2 個(gè)物體能形成最大的粒子包和相對(duì)速度，必須設(shè)定更大的彈性系數(shù)。同時(shí)，2 個(gè)物體碰撞時(shí)的重疊度大小不能超過粒子包太多，可以得到碰撞過程中彈性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，如公式（4）所示。

式中：k為彈性系數(shù)的大??；π 為圓周率常數(shù)；v為砂粒和V 型槽發(fā)生碰撞時(shí)的相對(duì)速度；ε為砂粒和V 型槽發(fā)生碰撞時(shí)的重疊度；D為砂粒粒子包直徑大??；ρ為砂粒的密度。

3 污水雜質(zhì)對(duì)輸送泵影響的測(cè)試試驗(yàn)

在前面對(duì)污水和輸送泵V 型槽進(jìn)行了三維網(wǎng)格建模，并對(duì)污水流動(dòng)過程中污水中雜質(zhì)對(duì)輸送泵V型槽的沖擊作用進(jìn)行分析。接下來，將通過具體的試驗(yàn)來測(cè)試污水雜質(zhì)對(duì)輸送泵V 型槽的沖蝕磨損作用。

首先測(cè)試不同砂粒濃度污水對(duì)輸送泵V 型槽表面形成的沖蝕率，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同砂粒濃度對(duì)輸送泵V 型槽的沖蝕率變化曲線

在試驗(yàn)過程中，因?yàn)檫@個(gè)位置受到的污水沖蝕作用最強(qiáng)，所以選擇輸送泵V 型槽迎流面作為測(cè)試位置。從圖2中的曲線變化可以看出，污水中砂粒濃度的大小與其對(duì)V型槽產(chǎn)生的沖蝕率呈正比。如果以污水中砂粒濃度為1%的V型槽沖蝕率作為基準(zhǔn)，那么當(dāng)污水中砂粒濃度達(dá)到5%時(shí)，V 型槽產(chǎn)生的沖蝕率為基準(zhǔn)沖蝕率的5.5 倍；當(dāng)污水中砂粒濃度達(dá)到10%時(shí)，V 型槽產(chǎn)生的沖蝕率為基準(zhǔn)沖蝕率的11 倍；當(dāng)污水中砂粒濃度達(dá)到15%時(shí)，V 型槽產(chǎn)生的沖蝕率為基準(zhǔn)沖蝕率的16.5 倍；當(dāng)污水中砂粒濃度達(dá)到20%時(shí)，V 型槽產(chǎn)生的沖蝕率為基準(zhǔn)沖蝕率的21 倍?？梢?，污水中雜質(zhì)濃度越高，對(duì)輸送泵外殼V 型槽產(chǎn)生的沖蝕磨損作用越大、破壞作用越強(qiáng)。

進(jìn)一步觀察不同雜質(zhì)濃度V 型槽迎流面出污水速度的變化，如圖3 和圖4 所示。

圖3 三維坐標(biāo)系中Y 方向的速度變化

圖3 是V 型槽迎流面在y方向因雜質(zhì)濃度不同所形成的污水流速的變化。圖中，橫坐標(biāo)軸為V 型槽迎流面在y方向的不同位置，縱坐標(biāo)軸為V 型槽迎流面在y 方向的不同速度。圖3 分別考察了污水中砂粒濃度為1%、3%、5%、10%、20%的情況。

從圖3 中的變化曲線組可以看出，V 型槽迎流面y方向的污水流速為不規(guī)則變化曲線，由于接觸位置不同，因此污水流速形成了上下波動(dòng)的曲線。在y方向接近0 位的位置，即迎流面沖擊點(diǎn)的位置，污水流速接近0 并且不因雜質(zhì)濃度而變化，這是因?yàn)樵谠摃r(shí)刻由于沖擊碰撞作用導(dǎo)致水流瞬時(shí)失速。距離沖擊點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，例如-2.5 mm的位置，流速也趨近于0。在0.2 mm~0.3 mm 的位置其污水流速達(dá)到正向最大值。在-0.7 mm~-0.8 mm 的位置，污水流速達(dá)到負(fù)向最大值。

從各曲線的對(duì)比情況看，雜質(zhì)濃度越低，產(chǎn)生的正向流速越快，雜質(zhì)濃度越高，產(chǎn)生的負(fù)向流速越快。因此，砂粒濃度為1%的污水流速變化曲線始終處于最上方，砂粒濃度為20%的污水流速變化曲線始終處于最下方。

圖4 是V 型槽迎流面在z方向因雜質(zhì)濃度不同所形成的污水流速的變化。圖中，橫坐標(biāo)軸為V 型槽迎流面在z方向的不同位置，縱坐標(biāo)軸為V 型槽迎流面在z方向的不同速度。圖4 分別考察了污水中砂粒濃度為1%、3%、5%、10%、20%的情況。

圖4 三維坐標(biāo)系下Z 方向的速度變化

從圖4 中的變化曲線組可以看出，V 型槽迎流面z方向的污水流速為相對(duì)規(guī)則變化的單調(diào)遞增曲線，因接觸位置的不同，污水流速形成了逐步上揚(yáng)的曲線。在z 方向接近0 位的位置，即迎流面沖擊點(diǎn)的位置，污水流速達(dá)到最大值并且不因雜質(zhì)濃度而變化。在距離接觸點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方，污水z向流速越小，如-0.5 mm 位置處污水z向流速為0.5 m/s，與0 位位置的2.8 m/s 相比大幅度下降。

從各曲線的對(duì)比情況看，雜質(zhì)濃度越低，產(chǎn)生的流速越快，雜質(zhì)濃度越高，產(chǎn)生的流速越慢。因此，砂粒濃度為1%的污水流速變化曲線始終處于最上方，砂粒濃度為20%的污水流速變化曲線始終處于最下方。

4 結(jié)論

在城市排污工程中，污水雜質(zhì)對(duì)排污設(shè)備有較大的影響。該文以污水中砂粒對(duì)輸送泵外殼上V 型槽的沖蝕磨損影響為具體內(nèi)容進(jìn)行研究。首先，對(duì)污水和輸送泵V 型槽進(jìn)行三維建模。其次，根據(jù)離散相變模型對(duì)污水中砂粒和V 型槽表面形成的彈性碰撞進(jìn)行力學(xué)分析。最后，針對(duì)污水中砂粒對(duì)V 型槽表面形成的沖蝕磨損作用進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，污水中雜質(zhì)濃度越高，對(duì)輸送泵外殼V 型槽產(chǎn)生的沖蝕磨損作用越大，破壞作用越強(qiáng)；雜質(zhì)濃度越低，產(chǎn)生的正向流速越快，雜質(zhì)濃度越高，產(chǎn)生的負(fù)向流速越快。