施利锋

（浙江东嘉水务有限公司，浙江 杭州 310053）

我国是水资源贫乏的国家，人均水资源占有率仅为世界平均水平的1/4。由于城市规模不断扩大，因此城市人口每天产生的污水量极大。最新的数据显示，我国各大城市每年的污水排放量为1000 亿m3，日均污水排放量为37亿t。在这种情况下，各大城市都建造了不同数量的污水处理厂，并配置各种排污设备和污水处理设备，以缓解城市污水排放导致的一系列压力。在各种污水处理设备中都包括不同类别的元件，如阀类装置、泵类装置、风机类装置以及除泥沙类装置等[1]。其中输送泵是进行污水传送的重要装置，对排污除污有十分重要的作用。然而，污水中含有的固体杂质主要是各种尺度大小的砂粒，对输送泵及其关键部件有较大的影响[2]。如果不能准确分析并了解污水杂质对输送泵的影响强弱和规律，就不能正常使用输送泵不能张，对污水处理的整体工作也会造成十分不利的影响。该文以输送泵配件V 型槽为研究对象，探讨污水中杂质对其产生的影响，以达到有效保护输送泵的目的。

1 污水流体及输送泵V 型槽建模

污水中杂质对排污装置的冲蚀磨损等影响是以污水水流为载体的。该文以输送泵中的V 型槽为研究对象，分析污水流经输送泵的V 型槽时，水中杂质对V 型槽所造成的影响。需要对污水流动状态进行流体力学建模，同时对输送泵的V 型槽建模。在三维仿真软件中，污水流体力学建模和输送泵V 型槽建模结果，如图1 所示。

图1 中，图1（a）为污水流动过程中形成的流体域模型，图中也标注了流体域的几何尺寸，用长方体网格描述流体域整体，其进水口（Inlet）是边长为40mm 的正方形形状，其出水口（Outlet）也是边长为40mm 的正方形形状。图1（b）为输送泵V 型槽的局部形式俯视图。输送泵V 型槽的长度为40mm，开口形状为倒三角形，最大开口宽度位于最上方，开口度大小为4mm，V 型槽的深度为3mm。与输送泵V 型槽的最大液量开度（1GL）相比，流体域模型进水口一侧液量开度为其20 倍，即20 个GL；流体域模型出水口一侧液量开度为其10 倍，即10 个GL；从图1（a）中也可以看出，进水口和出水口之间用1 个GL 的液量开度单位进行连接。图1（c）为污水流体域的三维网格图，图1（d）为V 型槽界面的三维网格图。

图1 污水流体建模和输送泵V 型槽建模结果

当污水流经V 型槽时，对V 槽冲蚀磨损的作用主要来自于污水中的杂质，即各种粒径大小的固体小砂粒。根据该文研究的实际情况，污水中的杂质通常包括粒径为20μm 大小的砂粒，粒径为75μm 大小的砂粒，粒径为125μm大小的砂粒，粒径为300μm 大小的砂粒，粒径为425μm 大小的砂粒。由于粒径不同，因此磨损作用有差异，污水中砂粒浓度的不同也会导致冲蚀作用的不同。根据该文研究的实际情况，污水的类型通常包括杂质为1%浓度大小的污水，杂质为3%浓度大小的污水，杂质为5%浓度大小的污水，杂质为10%浓度大小的污水，杂质为20%浓度大小的污水。

2 污水杂质对输送泵的冲蚀磨损分析

在构建污水流体模型和输送泵V 型槽模型后，需要运用流体力学进一步分析污水中杂质对输送泵V型槽的冲蚀磨损等作用。因为污水流动的过程符合湍流状态，所以可以运用湍流模型进行相关分析。在湍流模型中，最常用的是离散相变模型，这里就采用该模型进行具体分析。

在整个流体作用场内，散布着各种粒径大小的砂粒，这些砂粒的运动状态和运动轨迹，都可以根据离散相变模型进行计算。前面的建模工作，可以具体到对每个砂粒进行形状和体积建模，只要能提供足够多的相关信息，包括粒径大小、砂粒所在的位置等。但是建模过程中不能以砂粒周边污水作为流体的流动细节，这些细节包括污水形成涡流的状态，污水是否会形成流动分离，污水整体内部是否会出现分层和边界等。

根据拉格朗日的视图学分析理论，污水作为流体流动过程中的砂粒运动是可以被有效跟踪的。砂粒和其形成的连续相变之间形成耦合关系，但是这种连续相变不容易进行计算，其计算过程很难达到收敛状态。为此，需要通过更多的迭代步骤才能完成这种收敛。为了准确地了解污水中杂质砂粒的运动轨迹，一般每隔5 步就需要更新迭代一次，这样才能准确了解砂粒状态，由此可以得到砂粒在整个流体体积中的最大占比为12%，如公式（1）~公式（3）所示。

式中：ρ为污水的整体密度大小；VS为砂粒的总体体积大小；VL为水的总体体积大小；MS为砂粒的总体质量大小；ML为水的总体质量大小。

根据公式（3）可知，离散相变模型污水质量浓度的上限不能超过17.42%，进一步可以确定试验中能够模拟的污水中杂质的最高浓度为20%。

当污水中砂粒和输送泵外壳上的V 型槽产生碰撞时，形成的冲蚀和作用强度由变形量决定。如果砂粒和V 型槽都是刚体，那么在碰撞发生的过程中，可以通过二者之间的重叠度来衡量这个变形量的大小。根据经验可知，在正常碰撞发生时，法向上作用力的弹性系数要满足以下条件：为了保证发生碰撞的2 个物体能形成最大的粒子包和相对速度，必须设定更大的弹性系数。同时，2 个物体碰撞时的重叠度大小不能超过粒子包太多，可以得到碰撞过程中弹性系数的计算结果，如公式（4）所示。

式中：k为弹性系数的大小；π 为圆周率常数；v为砂粒和V 型槽发生碰撞时的相对速度；ε为砂粒和V 型槽发生碰撞时的重叠度；D为砂粒粒子包直径大小；ρ为砂粒的密度。

3 污水杂质对输送泵影响的测试试验

在前面对污水和输送泵V 型槽进行了三维网格建模，并对污水流动过程中污水中杂质对输送泵V型槽的冲击作用进行分析。接下来，将通过具体的试验来测试污水杂质对输送泵V 型槽的冲蚀磨损作用。

首先测试不同砂粒浓度污水对输送泵V 型槽表面形成的冲蚀率，其结果如图2 所示。

图2 不同砂粒浓度对输送泵V 型槽的冲蚀率变化曲线

在试验过程中，因为这个位置受到的污水冲蚀作用最强，所以选择输送泵V 型槽迎流面作为测试位置。从图2中的曲线变化可以看出，污水中砂粒浓度的大小与其对V型槽产生的冲蚀率呈正比。如果以污水中砂粒浓度为1%的V型槽冲蚀率作为基准，那么当污水中砂粒浓度达到5%时，V 型槽产生的冲蚀率为基准冲蚀率的5.5 倍；当污水中砂粒浓度达到10%时，V 型槽产生的冲蚀率为基准冲蚀率的11 倍；当污水中砂粒浓度达到15%时，V 型槽产生的冲蚀率为基准冲蚀率的16.5 倍；当污水中砂粒浓度达到20%时，V 型槽产生的冲蚀率为基准冲蚀率的21 倍。可见，污水中杂质浓度越高，对输送泵外壳V 型槽产生的冲蚀磨损作用越大、破坏作用越强。

进一步观察不同杂质浓度V 型槽迎流面出污水速度的变化，如图3 和图4 所示。

图3 三维坐标系中Y 方向的速度变化

图3 是V 型槽迎流面在y方向因杂质浓度不同所形成的污水流速的变化。图中，横坐标轴为V 型槽迎流面在y方向的不同位置，纵坐标轴为V 型槽迎流面在y 方向的不同速度。图3 分别考察了污水中砂粒浓度为1%、3%、5%、10%、20%的情况。

从图3 中的变化曲线组可以看出，V 型槽迎流面y方向的污水流速为不规则变化曲线，由于接触位置不同，因此污水流速形成了上下波动的曲线。在y方向接近0 位的位置，即迎流面冲击点的位置，污水流速接近0 并且不因杂质浓度而变化，这是因为在该时刻由于冲击碰撞作用导致水流瞬时失速。距离冲击点较远的位置，例如-2.5 mm的位置，流速也趋近于0。在0.2 mm~0.3 mm 的位置其污水流速达到正向最大值。在-0.7 mm~-0.8 mm 的位置，污水流速达到负向最大值。

从各曲线的对比情况看，杂质浓度越低，产生的正向流速越快，杂质浓度越高，产生的负向流速越快。因此，砂粒浓度为1%的污水流速变化曲线始终处于最上方，砂粒浓度为20%的污水流速变化曲线始终处于最下方。

图4 是V 型槽迎流面在z方向因杂质浓度不同所形成的污水流速的变化。图中，横坐标轴为V 型槽迎流面在z方向的不同位置，纵坐标轴为V 型槽迎流面在z方向的不同速度。图4 分别考察了污水中砂粒浓度为1%、3%、5%、10%、20%的情况。

图4 三维坐标系下Z 方向的速度变化

从图4 中的变化曲线组可以看出，V 型槽迎流面z方向的污水流速为相对规则变化的单调递增曲线，因接触位置的不同，污水流速形成了逐步上扬的曲线。在z 方向接近0 位的位置，即迎流面冲击点的位置，污水流速达到最大值并且不因杂质浓度而变化。在距离接触点越远的地方，污水z向流速越小，如-0.5 mm 位置处污水z向流速为0.5 m/s，与0 位位置的2.8 m/s 相比大幅度下降。

从各曲线的对比情况看，杂质浓度越低，产生的流速越快，杂质浓度越高，产生的流速越慢。因此，砂粒浓度为1%的污水流速变化曲线始终处于最上方，砂粒浓度为20%的污水流速变化曲线始终处于最下方。

4 结论

在城市排污工程中，污水杂质对排污设备有较大的影响。该文以污水中砂粒对输送泵外壳上V 型槽的冲蚀磨损影响为具体内容进行研究。首先，对污水和输送泵V 型槽进行三维建模。其次，根据离散相变模型对污水中砂粒和V 型槽表面形成的弹性碰撞进行力学分析。最后，针对污水中砂粒对V 型槽表面形成的冲蚀磨损作用进行测试，测试结果表明，污水中杂质浓度越高，对输送泵外壳V 型槽产生的冲蚀磨损作用越大，破坏作用越强；杂质浓度越低，产生的正向流速越快，杂质浓度越高，产生的负向流速越快。