废水排放扩散器近区稀释机理及污染场分析方法研究

我国的大城市主要沿江和沿海分布，每年都会有大量的污水集中后经过简单处理(一级处理)通过放流管和扩散器排向江河，湖泊或海洋。如何经济而有效地提高和改善扩散器污水射流场的初始稀释度和水面的稀释度一直是环境工作者关注的主要问题。本课题提出的废水排放扩散器近区稀释机理及污染场分析方法研究，就是针对横流和逆流中多孔射流和浮力射流展开研究。课题的立论依据是：利用多孔射流的吸附效应(Conada效应)和逆流中环境流体对射流的扩展作用和射流的初始动量作用，使污染物的近区稀释得到大幅度提高，同时由于射流的卷吸和紊动，可迅速形成强的混合区，增大废水的稀释,达到污染物在近区的快速稀释。本研究从理论、试验和数值模拟等方面研究这两类流动的流场特性和污染物稀释特性，揭示该类流动提高近区稀释度的机理和相应的污染场分析方法，为废水排放扩散器水力设计和环境评价奠定理论基础。

本项目针对逆流环境和横流环境中射流和浮力射流掺混和稀释机理，采用实验室水槽实验和数值模拟分析相结合的方法对流动结构和输移特性进行了研究，研究成果包括：（1）基于PIV技术，在室内水槽对逆向射流进行了系列实验研究，揭示了逆向射流的特有现象和稀释机理，就其几何特征量，紊流的间隙性，紊动强度空间分布等给出了精细表达（2）开展了含沙水射流的实验研究，给出了射流与动河床相互作用的机理描述，同时就动河床几何特征数学描述，给出了相应的公式；（3）建立横流中多孔射流的精细数值模型，给出了相应的紊流数学模型的数值解，揭示了多孔射流的相互吸附效应，同时就射流近区特性给出了相应的数学描述；（4）建立了计及浮水效应的横流中浮力射流的两相混合数值模型，采用基于PIV实验的测试结果对模型数值解进行了数值验证，进而得出两相流混合模型能正确有效地用于多孔温水排放扩散器近区稀释特性的研究，进而得出多孔扩散器近区稀释度的公式，用于实际扩散器的水力设计和环境影响评价；(5) 运用大涡模拟的数值计算手段，对逆向射流的三维特性进行了详细的分析和研究，回答了逆向射流在三维空间的摆动特点，弥补了由于试验仅仅能测量某一平面内流场而不能认识逆向射流三维空间摆动特点的不足。(6)就错距径向射流近区特性进行了数值模拟，得出了其相应的稀释度的公式以及射流几何参数对其特性的影响。（7）对逆流环境中非圆形射流的掺混特性进行了数值分析，揭示了射流出口形状对流动混合特性的影响。（8）对圆形壁射流进行了大涡数值模拟，揭示了圆形射流的附壁效应，以及壁面对提高近区稀释度的贡献。以上研究为深入研究逆向环境和横流环境下射流和多孔浮力射流掺混机理及污染物扩散输移机理提供理论依据，并为废水排放扩散器的优化设计提供技术支持。.在本项目的资助下，取得了一系列有价值的成果，发表学术论文10余篇，其中被SCI收录7篇，EI收录9篇，1项成果获湖北省自然科学二等奖，2篇博士学位论文，其中2篇博士论文均获湖北省优秀博士论文，项目负责人获优博论文指导教师奖。