【正文】 近似計算公式： 2 2 44( / 2 ( 1 ( / 2 ) ) )j j j j jj jY V gE V gE rCr??? ? ? ??? （ 37） 41 21( ) ( )prj e n r er r cDLf D D C? ? ? ?? ? ? ? ? (38) 17 圖 4 立管 —— 單噴口示意圖 . The stand pipeSingle spout schematic 式中： rL —— 立管長度； rD —— 立管直徑； pD —— 噴口口徑最小處直徑； cC —— 射流收縮系數(shù)，等于 /pjUU； r —— 等于 /prUU； jU —— 出流速度； en? —— 立管進口局部阻力系數(shù)； 1? —— 肘形彎管局部阻力系數(shù)； e? —— 收縮段局部阻力系數(shù)； rf —— 立管流程阻力系數(shù)。 （ 37）、（ 38）兩式 參見圖 4。收縮系數(shù) cC 可以根據(jù)自由流線理論導(dǎo)出，它是 /prDD和 ? 的函數(shù)， ? 由下式確定： [ ( ) / 2 ]r p carc tg D D L? ?? （ 39） 式中： cL —— 收縮段長度。 相應(yīng)于不同的 /prDD比值和 ? 值的 cC 值列于表 1。 表 1 射流收縮系數(shù) Cc contraction coefficient of Cc Dp/Dr α 45176。 90176。 135176。 180176。 18 當(dāng) / 1/ 4prDD? 時， en? 可由下式確定： 2211( / )en n rB r V U? ?? ? ? （ 40） 式中： B 為常數(shù)，對于銳角進口，取 ? ，對于圓角 進口，取 ~ ? ；1 /rr D D? ； rU 為立管內(nèi)流速。 1? 取決于肘形彎管的曲率半徑。對于圖 4 所示的 90176。 肘形彎管， 1 ? ? 。 21( 1)e k? ??? （ 41） 20 .0 4 30 .5 7 1 .1 ( / )prDD? ?? ? （ 42） 式中： k 為與 2? 有關(guān)的系數(shù)，可由表 2 選取。 表 2 k 與 2α的系數(shù) . The coefficient of k and 2α 2α 10 20 40 60 80 100 140 k 3） 立管 —— 多噴口的 jC 對于立管 —— 多噴口的出流系數(shù)，尚未有可用的近似的方法，只能依靠實驗來確定。 孔口出流系數(shù)法的局限性及缺陷 從上述分析可看出： 1)孔口出流系數(shù)法的關(guān)鍵在于噴口出流收縮系數(shù) jC 的計算，而且目前只有上述兩種 (管壁、立管 —— 單噴口 )計算出流系數(shù)的計算經(jīng)驗公式，對 于其它形式的噴口還無法使用，因此，這就限制了該方法應(yīng)用的范圍，使該方法有一定的局限性。 2)在孔口出流收縮系數(shù)的計算中，大多為經(jīng)驗公式不能利用現(xiàn)有計算阻力損失的方法，使該方法的應(yīng)用有一定的缺陷。 動壓力水頭法及其優(yōu)化設(shè)計程序 動壓力水頭法及其優(yōu)化設(shè)計程序 針對孔口出流系數(shù)法的局限性及缺陷，目前擴散器水力設(shè)計方法主要采用動壓水頭法。以下將對動壓水頭法計算公式進行推導(dǎo)，并根據(jù)排海管道的特點設(shè)計計算優(yōu)化程序。 19 圖 5 排海管道計算示意圖 seawater pipe calculating schematic 設(shè) 1q 離岸最遠端第一個上升管的濃海水排放量，則對第一個上升管和第一段擴散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 39。 2 2 39。 39。1 1 1 11 2 1() ()2 wP V V HZ Z hg ????? ? ? ? ? （ 43） 39。 39。 2 2 21 1 1 1 1 1 1()4 4 4q V d U d V D? ? ?? ? ? （ 44） 2 2 2 39。 239。1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 111 ()2 2 2 2w l V U H U Vh D g g d g g? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 45） 計算 1P?、 1q 。 對第 2 個上升管和第 2 段擴散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 222 1 1 2 22 3 2 1()() 2 wP P V UZ Z hg???? ???? ? ? ? ? （ 46） 39。39。2 2 2 1 / 2122 2 2 2 1 1 2 2 2{ [ 2 ( ) ( 1 ) ] ( ) }4 PHq d g H V?? ? ? ? ??? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 47） 212222 1 22 2 2 2 1 22 1 ()2 2 2w l V VhUD g g g? ? ? ? ?? ?? ? ? ? （ 48） 計算 2P?、 2q 。 20 式中： 39。2 2 2( / )? ? ?? ； 22 2 2( / )D??? ； 21 2 1( / )D D V? ? ； 39。 39。 22 2 2 2 2 2( / )BH? ? ? ???。 類似，對第 i個上升管和第 i段擴散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 22111 ( 1 )()() 2i i i i ii i w i iP P V UZ Z hg???? ??? ? ???? ? ? ? ? （ 49） 39。39。2 2 2 1 / 212 ( 1 ) 1{ [ 2 ( ) ( 1 ) ] ( ) }4 iii i i i i i i iPHq d g H V?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 50） ( 1 )222 1( 1 )1 ()2 2 2w i i i i ii i i i i iil V VhUD g g g? ? ? ? ??? ???? ? ? ? （ 51） 由此計算 iP?、 iq 。 式中： 39。( / )i i i? ? ?? ； 2( / )i i iD??? ； 211( / )i i iD D V? ??? ； 39。 39。 2( / )i i i i i iBH? ? ? ???。 對于高位井或出水泵站，其水位滿足： 22010 1 1 1()n n n T n nT n n nD P V Z Z D VZZ Z g D g??? ??? ???? ? ? ? ? （ 52） 根據(jù) 以上各方程，可以得到計算的排放總量 iQq??計 ，若計算結(jié)果滿足 ???計實（允許誤差），則計算結(jié)束；否則，重新設(shè)定 1q ，重復(fù)上述計算。 擴散器水力設(shè)計計算優(yōu)化程序見圖 21 圖 6 擴散器設(shè)計計算優(yōu)化程序圖 program diagram of the diffuser design calculating optimize 擴散器水力設(shè)計計算參數(shù)的選取 1）管道沿程阻力 沿程水頭損失反映水流為克服摩擦阻力做功而消耗的能量，因而其數(shù)值的大小主要取決于管徑和管材。根據(jù) 謝才公式可以得 到 阻力系數(shù) 28/gC?? ，其中謝才系數(shù) C 可由曼寧公式計算得到，即 1/61()4DC n? ， D 為管徑， n 為管壁粗糙系數(shù)，則單位管道長度的水頭損失22ViLDg???。 2） 局部阻力系數(shù) ζ 局部 水頭損失反映由于局部邊界急劇變化，水流在急劇調(diào)整過程中所消耗的能量，因而局部阻力系數(shù) ζ的大小主要由管道的局部構(gòu)造所決定，一般視情況作如下處理： ① 放流管沿程各轉(zhuǎn)彎處均按急轉(zhuǎn)彎考慮，相應(yīng)局部阻力系數(shù)根據(jù)管線沿程轉(zhuǎn)彎角度按經(jīng)驗值選取。 ② 擴散段變徑管道按突縮考慮。 ③ 上升管與擴散管之間按三通管考慮，其阻力系數(shù)按塔里葉夫公式進行計算： 21 1 1 1 1 1 1[ 1 ( / ) 2( / ) c os ]m m m mQ A Q A Q A Q A? ? ?? ? ? （ 53） ???計 實 22 22 2 2 2 2 2 2[ 1 ( / ) 2 ( / ) c o s ]m m m mQ A Q A Q A Q A? ? ?? ? ? （ 54） ④ 上升管各噴口可簡化為一等效噴口，在計算時按 90176。 急轉(zhuǎn)彎加突縮情況考慮，即211 .0 0 .5 (1 / )AA? ? ? ?， 2A 、 1A 分別為噴口截面積和上升管截面積，而對于其他形 式的噴口，可以按等阻力進行校核，對于精確的計算可以從物理模型試驗獲得。 程序的優(yōu)點 對比孔口出流系數(shù)法及程序本身設(shè)計特點，可以得出該程序設(shè)計的如下優(yōu)點： 1) 該程序不僅能確定擴散器各工藝參數(shù)，而且可以比較多方案水頭損失的大小。 2） 該程序能反映各擴散器設(shè)計參數(shù)對噴口出流量的影響，如摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、噴口開孔大小、上升管直徑、上升管間距等。 3） 該程序在噴口阻力的處理中，是按 90o 彎頭逐漸收縮，因此，可以利用現(xiàn)有公式進行計算，計算結(jié)果較準確，而對于其它形式的噴口，可以按其噴口的特點，對程序本 身進行很方便的改寫，也可按實驗或計算得到的阻力相等的原則進行換算，而 不對計算結(jié)果產(chǎn)生影響。 六橫島臺門海水淡化工程 某大型海島油庫海水淡化廠位置位于舟山六橫島臺門海域，日產(chǎn)淡化海水 萬噸，主要為油庫碼頭漁船供水、油庫生產(chǎn)用水、生活用水和消防冷卻用水，并向周圍制冰和漁業(yè)加工等企業(yè)供水。經(jīng)淡化后的濃海水排放海域處于二島嶼之間的狹長水道中，為保護海洋生態(tài)環(huán)境，要求設(shè)計一個高效率大規(guī)模濃海水排海擴散器。 選取設(shè)計方案 由于 濃海水排放海域處于二島嶼之間的狹長水道中 ，排海擴散器走向較適合采用 T 型 [17]。因為從水道的利用功能來說，大中型江河多數(shù)為航運水道，船只往返頻繁，水生生物回游范圍要求較大，不允許擴散器布置在水道中央，并且，從施工及運行管理來看，中心布置施工困難，不便于維修及反沖洗，嚴重影響通航。 T 型對江河的航運、生物回游等影響較小，施工與管理都較為方便，工程投資少，值得推廣使用 [18]。 T 型擴散器就是將擴散器布置成順水流方向，與輸水管道成 T 型，如圖 7所示的排放近區(qū)物理形態(tài)模型。濃海水射入環(huán)境水體的摻混稀釋特性及流態(tài)的變化規(guī)律，取決于 T 型擴散器的幾何尺寸、噴嘴射流參數(shù)及河道水流條件 [19]。因此， 排放近區(qū)特征參數(shù)可表達為 0 1 0 0 0( , , , , , , , , , , , , , )s D a a a af a L h L u C h u C? ? ? ? ??? 23 圖 7 T 型擴散器排放近區(qū)物理形態(tài)模型 model of T diffuser discharge in nearfield region 式中： ? 為擴散器噴嘴排放角； 0a 為噴嘴孔口面積； sL 為噴嘴孔口間距； 1h 為孔口距河床高度； ah 為河道水深； ? 為環(huán)境水體運動粘滯系數(shù)； ? 為擴散器與河道水體流動方向的夾角， T 型擴散器 0o?? T 型擴散器排放近區(qū)的數(shù)值模擬 為了預(yù)報 T 型擴散器排放近區(qū)的特性，運用本文所取的擴散器在寬淺江河中排放的流 場和濃度數(shù)值模型來模擬計算 T 型擴散器排放近區(qū)。要進行計算，首先將 T 型擴散器排放口由點排放概化到所在網(wǎng)格單位時間單位體積的質(zhì)量源，其表達式為 0 0 0 / ( )sau a L h y? ?，則噴嘴所在網(wǎng)格的連續(xù)方程為： 0 0 0 / ( )sah h u h u h u a L h yt x y ??? ? ?? ? ? ?? ? ?