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雨水作为非常规水资源，其开发和利用对缓解城市化发展过程中带来的水资源短缺问题具有重要的战略地位。2012年我国提出“海绵城市”理念，旨在提升城市生态系统功能和降低洪涝灾害风险的同时，优先将雨水资源进行就地消纳和利用[1-2]。然而，据《2021中国水资源公报》显示，统计年我国非常规水资源利用量为138.3亿m3，仅占年供水总量的2.3%，其中雨水资源的开发利用率极低[3]。如何提高雨水储用效率，规范雨水利用模式成为雨水战略实施的关键。道路作为汇入市政管网前的末端集水空间受人为活动的干扰较大，同时与城市功能的正常运转密切相关，因此道路径流的安全泄放尤为关键。屋面空间占城市硬质下垫面近2/3，且受人类活动影响较小，其在水质与水量方面具有独特的储用优势[4-6]。传统的城市灰色储水设施主要担负地表径流洪峰削减的功能。除此之外，初期冲刷携带的高浓度污染负荷在储水系统中累积，直接影响回用水质[7-8]。因此，开发面向屋面径流接续储用的新型雨水系统是城市雨水战略实施和雨水资源高质量回用的主要方向。
本研究从水质和水量两个方面对现有屋面雨水储用现状进行了分析和讨论，尝试构建雨水原位储用系统，采用Fluent软件对该系统内部流态和接续污染归趋进行实态模拟，基于模拟结果构建了一种原位新型雨水储用系统，可有效净化初期雨水污染，实现雨水资源高质量回用。
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雨水径流中污染物浓度峰值常常出现在径流初期。车伍等[9]和王倩等[10]研究发现初期雨水中含有大量悬浮固体（如SS）、耗氧污染物（如COD、BOD）、营养物（如N、P）和重金属等，可生化性较差，将其弃流进入河道会造成受纳水体水质恶化，进入污水收集管网势必会降低污水处理效能。传统储水系统用于水质质量控制的辅助设备主要为初期雨水分流器、碎屑筛和过滤器。其中，分流器作用是将初期径流导流，大幅度降低污染物质在系统中的富集，进而提高回用水水质并延长储水周期。然而，由于初期冲刷的随机性、多变性和复杂性，针对高污染负荷初期雨水的导流量核算目前仍存在争议[11-12]。目前，人们主要通过降雨历时、降雨深度两种方法表征初期雨水阶段，但降雨强度和下垫面的差异性导致初期雨水阶段定量应以降低径流污染物负荷到一定当量为宜[13]。碎屑筛和过滤器主要用于拦截固体（沉积物、碎屑、树叶等）和颗粒态物质防止其进入储水系统[14]。传统储水系统由于单一的箱结构形式，污染物自然沉降累积在储水系统底部，不仅不利于排泥和运维管理，同时在接续降雨过程中水力扰动和卷携会使沉积污染物二次弥散在储水系统中，导致水质恶化。除此之外，类比对雨水窖水质演变过程的研究，认为长期储存过程中存在水质恶化甚至腐败的风险[15]。而目前对于储水过程中的水质恶化和净化相关研究鲜有报道，同时缺乏以具体回用用途为导向的雨水水质标准作为参考和指导。
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储水规模是雨水资源回用过程中的关键参数，直接影响到投资成本、占地空间、储水水量以及供水规模，甚至影响储水水质[16]。同时，它也是基于多个变量平衡而确定。目前针对雨水储水系统规模主要是通过建模进行多目标优化设计。由于降雨和需水量在时间上是可变的，储水系统评估模型经常被用作一种设计工具，用于计算平衡流入和流出所需的储水量，从而充分满足特定建筑物或地点的用水需求[17]。储水系统的规模设计主要包括经验设计、随机分析和接续储用下的连续物质平衡模拟。典型的连续物质平衡模型包含4个模块[18]：（1）用水需求分析模块；（2）雨水流入模块；（3）物质平衡计算模块；（4）输出模块。研究表明，引入环境目标可能会对水箱尺寸产生重大影响，这取决于安装储水系统的建筑物类型[19]。除此之外，储水过程中系统的接续空间与多次进水规模的优化平衡是在保障储水水质的基础上提高储用效率的主要研究方向。
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为了保障和提升雨水储水系统的水质，尝试优化传统雨水储水系统结构并分隔构建沉淀区和澄清区，通过Fluent软件模拟，进一步识别降雨过程尤其是携带大量污染的初期雨水接续储水的水质扰动，掌握污染物质接续扩散的水力学特性。
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基于Space claim建立箱体物理模型，长宽高均设置为2 m，由高1.8 m、厚4 mm的隔板分成沉淀区与澄清区。沉淀区设置60°斜板，进水管直径为DN110，见图1（a）。三维计算区域采用Workbench meshing进行网格划分，见图1（b），并对进水管、进出口及挡板处进行网格加密处理，共计网格单元2 601 249个。
本研究借助稳态与瞬态Eulerian固-液两相流混合模型分别模拟单场次降雨及雨水接续扰动过程。降雨过程采用SST k-ω湍流模型求解，静置时黏性模型选用层流，且均使用Simple压力速度耦合算法，其中压力差值设置为Body Force Weighted。动量、湍流动能和比耗散速率均设置为Second Order Upwind，其亚松弛因子分别为0.3、0.5和0.5。水为第一相且各项参数采用系统默认设置，固体颗粒为第二相。以SS作为固体颗粒物模拟对象，并参考西安市屋面初期径流污染特征及Dufresne数据，设置SS浓度：440 mg/L；密度：1 100 kg/m3；平均粒径：0.1 mm；黏性系数：2.001×10−2，并换算出固体颗粒体积分数0.04%[20-21]。以SS浓度和速度为0作为初始状态，设置速度入口和压力出口（出口压力为1个标准大气压）边界条件，固体壁面边界条件设置为无滑移壁面。
采用式（1～2）对SS在沉积区与澄清区的分布特征进行计算[22]：
式中：
η1 为沉淀区对SS的沉积率，%；η2 为箱体对SS的截留率，%；ϕ1 、ϕ2 、ϕ3 分别为进口、过水口、溢流口处SS的体积分数，%。 -
通过调控系统进水速率（1、3、5 m/s）以及进水管出口角度（0°、90°、180°）分别模拟单场次降雨条件下储水系统的水力特性以及SS归趋特性，模拟结果见图2。同时，根据模拟结果计算出调控条件下SS归趋分布与污染物截留率，见表1。
结果显示，单场次降雨过程中其他参数不变的情况下，增大进水管弯头角度或降低进水速率有利于SS在储水系统中沉积。沉淀区对SS的沉积率在入口速度3 m/s时最佳，见图2（b），而相同进水速率下，带有180°弯头进水条件下的沉淀区的沉积率最高，见图2（e）。直管条件下，入口速度5 m/s时，沉淀区靠近挡板处紊动程度较大，越过挡板后大部分SS直接被卷携带出，只有少部分沉积到底面；1 m/s时，沉淀区整体紊动程度较大而澄清区仅上端形成较小涡流，易于SS沉降；而3 m/s时，沉淀区紊动程度大小介于其他两状态之间，但在澄清区形成大涡流导致SS沉降困难。相同速度下，增加弯头易于SS沉积，见图2（f），180°弯头下紊动区域集中在后端及水管出口处，且沿澄清区溢流口附近形成的较大涡流易扰动并带出底部中后端沉积的SS，而在90°弯头澄清区扰动范围较大，但携带出的SS较少。
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基于fluent软件模拟降雨事件对储水系统的扰动过程，设置时长30 min的降雨事件，待降雨结束，静置10 min后模拟二次降雨事件，系统接续进水30 min，见图3。同时，根据模拟结果计算出SS归趋分布与污染物截留率，见表2。
图3可知，接续进水对系统沉淀区已沉积的SS产生扰动并卷携带入澄清区，影响澄清区水质。系统在初次进水事件结束并静置10 min后的污染物分布见图3（a）所示，沉淀区与澄清区均有SS沉积。接续进水10 min后，沉淀区已沉积SS发生扰动，并有进入澄清区的趋势，见图3（b）。进水20 min后，紊动范围集中在沉淀区后部及澄清区前部，因此沉淀区前端及澄清区后端沉积大量SS。在进水30 min后，由于持续的SS溢流，系统沉淀区和澄清区的沉积态SS均有所减少。
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基于以上模拟结果发现，储水系统内部分区有利于污染物物理沉淀和自然澄清，但接续雨水会扰动已沉淀污染物卷携并产生二次污染。研究表明，颗粒态物质（如SS）在径流过程中是其他污染物质（如溶解态物质）的良好载体[23]。因此，基于颗粒态物质的重力沉降以及物理截留效果，试图进一步强化储水系统污染物质截留、富集以及生物净化功能。尝试通过分隔并营造沉淀区、过渡区和澄清区实现净化与储水双重功效，同时可降低接续扰动对净化水质的影响。基于此，创新性提出系统加载隔离生态净化层的思路，研发了新型屋面雨水接续储用系统。
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为了进一步研究新型屋面雨水接续储用系统的净化效果，本研究选取西安建筑科技大学雁塔校区建筑外立面落水管，其汇水面积约100 m2，匹配屋面雨水接续储用系统容积为1 m3。储水系统左右分腔容积比1∶1，左侧0.5 m处设置隔离生态净化层，净化层厚度设置8 cm，由双层过滤棉加裹5 cm砾石（8 mm）组成，采用轻质不锈钢框架固定在系统中，见图4。
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为保证实验结果的可靠性，本研究选取2023年3月27日、4月2日、4月13日和4月21日4场降雨事件的初期雨水作为装置进水进行平行实验。采集新型储水系统装置进出水水样并放置4 ℃下保存，同时进行样品预处理和相关指标的测定，测定指标包括TN、COD、NH3-N和SS。具体的分析方法见表3。数据采用Origin软件进行处理和分析。
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新型储水系统对屋面初期雨水的净化效果见图5。进水水质COD、SS、TN和NH3-N的浓度范围分别为80～120 mg/L、55～90 mg/L、16～21 mg/L和9～17 mg/L，出水浓度分别为30～45 mg/L、4～8.5 mg/L、6～11 mg/L和4～9 mg/L，平均去除率分别为64.4%、91.2%、52.7%和49.6%。新型储水系统对SS的净化效率高达90%以上，其在对颗粒态污染物质高效富集的过程中实现部分溶解态物质同步去除。经核算，强化隔离生态净化层耦合重力沉降作用可有效截留初期雨水中60%以上的污染负荷，大大降低回用水水质恶化风险，保障回用水其水质稳定。依据《城市污水再生利用-景观环境用水水质：GB/T 18921—2019》、《城市污水再生利用-城市杂用水水质：GB/T 18920—2020》和《城镇污水处理厂污染物排放标准：GB 18918—2002》一级A标准，新型储水系统净化后水质均达到排放至地表水体或景观、杂用水回用标准（图中虚线表示）。
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（1）在优化传统雨水储水系统结构并分隔构建为沉淀区和澄清区，并基于Fluent软件进行固-液两相流的模拟结果中发现，单场次降雨过程中，直管进水或降低进水速率有利于颗粒态物质在储水系统中沉积。沉淀区对颗粒态物质的沉积率在进水速率为3 m/s时最佳，而相同进水速率下，带有180°弯头进水条件下沉淀区的沉积率最高。
（2）接续进水对储水系统已沉积污染物扰动影响较大，易产生二次污染。同时在持续的接续进水扰动作用下，优化分区后的储水系统沉淀区污染物被卷携进入澄清区，并有持续溢流污染的趋势。
（3）通过设置隔离生态净化层的新型储水系统对SS的净化效率高达90%以上，其在对颗粒态污染物质高效富集的过程中实现部分溶解态物质同步去除。经核算，强化隔离生态净化层耦合重力沉降作用可有效截留初期雨水中60%以上的污染负荷，大大降低雨水水质恶化风险，保障回用水质稳定。
屋面雨水原位接续储用系统研发与应用
Development and application of in-situ continuous roof runoff storage system
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摘要: 屋面雨水储用的水质保障是雨水资源高质量回用的关键。传统储水系统由于结构性缺陷和污染物质接续扩散的影响，导致储水水质不佳。该研究采用Fluent软件，通过改变进水水力条件和系统结构，模拟和识别了储水系统接续过程中的污染物质归趋；创新性提出增设隔离生态净化层，构建基于沉淀区、过渡区和澄清区的新型屋面雨水原位接续储用系统；通过4场降雨的原位净化效果研究，结果表明该新型储水系统净化效果极佳，水质稳定达到城市杂用及景观水回用标准，可作为屋面雨水储用系统装备广泛使用。Abstract: The water quality guarantee of the roof rainwater storage is crucial for ensuring the high-quality reuse of rainwater resources. Traditional water storage systems suffer from poor water quality due to structural defects and the continuous diffusion of pollutants. Fluent software was used to simulate and identify the fate of pollutants during the connection process of the water storage system by altering the hydraulic conditions and system structure of the inlet water. A novel approach was proposed by adding an isolated ecological purification layer and constructing a new type of roof rainwater in-situ continuous storage system based on a sedimentation zone, transition zone, and clarification zone. Through the in-situ purification effect study of four rainfall events, the results showed that the new water storage system had excellent purification effect, and the water quality was stable and met the standards for urban miscellaneous and landscape water reuse. It could be widely adopted as the equipment for roof rainwater storage systems.
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Key words:
- roof runoff /
- storage system /
- fluent /
- first flush /
- ecological purification
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脉冲喷吹清灰除尘器通常被很多行业用于控制空气污染，如电力生产、煤矿挖掘[1]。灰尘通过烟气管道进入袋式除尘器而被滤袋收集，形成灰尘饼，由于灰尘的连续堆积，须定期对灰尘饼进行清洁[2]。脉冲喷吹清灰能周期性地进行定期清洁，所以这种清灰方式有着广泛的应用[3]。
在脉冲喷吹清灰时，脉冲阀释放一个短脉冲(50~150 ms)，将干净的压缩空气分配到吹扫管的众多喷嘴中。每个喷嘴朝向滤袋开口端上方，压缩空气通过喷嘴的作用发生膨胀，形成脉冲射流，同时在脉冲射流周围的邻近区域，射流气体会夹带周围空气，与脉冲射流一同进入滤袋中，对滤袋进行清洁。关于脉冲喷吹清灰的研究有很多，多数都集中在高压清灰上，建立的CFD模型也仅仅是二维模型[4-6]。QIAN等[4]通过建立喷嘴与滤袋开口之间的最佳距离数值模型，研究了高压(0.6 MPa)清洁的清灰效果；万凯迪等[5]通过建立二维滤袋模型，研究了PPS针刺毡滤袋在高压(0.45 MPa)喷吹下的清灰效果；HAJEK[6]建立二维轴对称单滤袋模型，在不考虑射流偏移的情况下研究清灰效果。
近年来，人们对低压脉冲喷吹清灰的研究越来越感兴趣。低压清洁在0.2~0.3 MPa的罐压下运行，而传统的高压清洁可在更高的压力下运行，通常为0.4~0.7 MPa。本研究通过建立完整的三维CFD模型，考虑射流偏移，分析射流特性，并通过实际的实验测量验证了三维CFD模型的正确性；同时，使用三维CFD模型研究了低压(0.2 MPa)下不同喷嘴和文丘里管的设计对清灰效果的影响，为低压清灰系统的设计提供了参考。
1. 研究方法
1.1 实验方法
实验所用除尘器如图1所示。该装置包括1个带有3个脉冲阀的空气压缩罐(容积225 L)，3个长度为2 m的吹扫管，每个吹扫管有11个等间距直孔。对于每个吹扫管，在除尘器腔体内放置5个孔和袋，构成测试部分。每个吹扫管中剩余的6个孔放在腔体外面。每个滤袋由内部袋笼保持固定，滤袋和内部钢笼之间的咬合紧密，清灰时，滤袋与内部钢笼之间的体积变化小于4%，滤袋长度为6 m，直径为160 mm。文丘里管(喉部直径65 mm)放置在每个袋子的开口处，通过隔离板，将灰尘区域与洁净区域分开。使用压力传感器对图1中的4个部位(空气压缩罐、滤袋的顶部、中部和底部)进行压力测量。测量所得的压力数据作为与数值模拟结果进行对比并验证数值模型合理性的实际数据。所有测试均在室温下进行，脉冲喷吹的初始罐压力为0.2 MPa，脉冲阀导通时间为100 ms。
1.2 数值计算方法
脉冲喷射清洁期间的流动被表征为超音速和亚音速，由于湍流仅在某些区域中起作用，无须使用分离涡模拟(DES)和大涡模拟(LES)这类计算成本较高的方法，去解决湍流尺度的问题[7]。同时，黏性效应存在于脉冲喷射中，不能应用于超音速流的无黏性假设，因此，须采用雷诺平均纳维-斯托克斯公式。使用耦合流体的方法求解纳维-斯托克斯方程，耦合流体适用于冲击波和高度可压缩流动的研究。
控制方程是纳维-斯托克斯方程，包括质量(连续性)方程、动量(牛顿第二定律)方程和能量(热力学第一定律)方程。可压缩流体的质量守恒方程见式(1)。
∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0 (1) 式中：
ρ 为密度，kg·m−3；t 为时间，s；ui 为流体速度沿i方向的分量；xi 为i方向的坐标。动量守恒方程见式(2)，计算时忽略引力。
∂(ρui)∂t+∂(ρujui)∂xj=∂τij∂xj−∂p∂xi (2) 式中：
τij 为黏性和湍流应力张量；p 为压力，Pa。能量守恒方程见式(3)。
ρ(∂h∂t+ui∂h∂xi)=∂p∂t+ui∂p∂xi+∂∂xi∂T∂xi+τij∂ui∂xj (3) 式中：
h 为焓，kJ·mol−1；k 为导热系数，W·(m·K)−1；T 为热力学温度，K。可压缩流动密度遵循连续性方程，温度可以由式(3)得出。在已知密度和温度的情况下，压力可以应用理想气体定律的状态方程进行计算。
p=ρRT (4) 式中：
R 为气体常数，取值8.314 J·(mol·K)−1。湍流模型使用可实现的k-ε模型[8]，并通过双层壁功能处理近壁区域，考虑可压缩性，将可压缩耗散膨胀项[9]添加到湍流转换方程中。为了模拟在一个吹扫管中多个喷嘴的效果，并且完全捕获喷嘴和射流中的空间复杂流场，需要完整的3D模型。由于实验验证对数值模型的建立具有重要意义，因此，数值模型的几何形状必须与实验装置非常相似，三维CFD模型计算域如图2所示，不同的边界条件使用不同的颜色显示。
为清楚起见，图2为整个计算域对称的一半，其中浅黄色为出口、青色为阀门入口、绿色为滤袋、灰色为壁面。滤袋模拟为零厚度，多孔介质薄膜，允许流体通过，压力损失计算方法见式(5)。
Δp=−ρβvn (5) 式中：
Δp 为压降，Pa；ρ 为气体密度，kg·m−3；β 为多孔黏性阻力，m·s−1；vn 为边界法向速度，m·s−1。在脉冲清灰过程中，滤袋壁面峰值压力为2 000~6 000 Pa，有研究表明，滤袋阻力对滤袋内获得的峰值压力有很大影响[10-12]，因此，可调整
β 值，以与实验数据相匹配，本研究β 取值为30 000 m·s−1。滤袋的建模为刚性结构，即忽略滤袋偏转的潜在影响，虽然滤袋偏转会影响脉冲压力，但其在本研究所测试的除尘器中偏差非常小。脉冲阀门模型与滤袋类似，根据脉冲阀的实际特性，其多孔黏性阻力随时间的变化而变化。脉冲阀的工作过程可简化为3个阶段：1)阀门关闭，高阻力；2)阀门完全打开，非零低阻力；3)阀门关闭，高阻力。阀门阻力值通过反复实验确定，图3为本研究所用脉冲阀的多孔黏性阻力随时间的变化情况。打开时间总计为100 ms，阀门完全打开阶段为66 ms，当达到100 ms的模拟时间，多孔界面转变为阻碍任何质量交换的壁面。
边界条件：空气压缩罐的计算域设置为无滑动条件的绝热壁面。脉冲阀门计算域(图2青色区域)为多孔界面，其多孔黏性阻力设置如图3所示。滤袋计算域(图2绿色区域)为多孔界面，其多孔黏性阻力为30 000 m·s−1。将0 Pa(1个标准大气压下)的压力施加在计算域的出口(图2黄色区域)，以模拟隔离板两侧无限大的体积。在脉冲喷射清灰期间，脉冲射流夹带上箱体的空气进入过滤室中，导致上箱体的压力降低，同时使得过滤室中压力增加。对于小规模的除尘器，这将极大地影响脉冲压力，但是对于中等或者较大规模的除尘器，包含吹扫管在内的整体有效体积很大，因此，本研究对计算域的近似是合理的。其余表面(图2灰色部分)设置为无滑动条件的绝热壁面。
初始条件：计算域向空气压缩罐施加0.2 MPa的压力，其余部分施加压力为0 Pa(1个标准大气压下)；在整个计算域中施加300 K的温度；采用隐式方法进行迭代，时间步设置为
1×10−5 s，内迭代设置为20次，库朗数设置为50。数值模型通过实验验证之后，修改数值模型，研究文丘里管和喷嘴对清灰效果的影响。建立3种数值模型，以研究文丘里管的流场与压力，包括无文丘里管、喉部直径为65 mm的文丘里管(其端口处的直径为108 mm，压缩段的长度为97.2 mm，喉管段的长度为43.2 mm，扩散段的长度为108 mm)和喉部直径为85 mm的文丘里管(其端口处的直径为129.6 mm，压缩段的长度为97.2 mm，喉管段的长度为54 mm，扩散段的长度为97.2 mm)，文丘里管结构如图4所示。
由于吹扫管自身具有一定的壁厚，同时又考虑到清灰气流在吹扫管中的流动情况，这些因素可能是导致经孔喷嘴流出的射流与文丘里管之间出现偏移的原因。因此，使用改进的喷嘴(图5)与孔喷嘴进行比较。
2. 模型验证
2.1 射流分析
图6反映了处于不同动量时的脉冲射流特性。脉冲喷吹清灰系统中的流场不同于传统的喷射流场，使喷射清灰流场复杂化的因素包括流体的可压缩性和瞬态性、喷嘴的设计以及射流在吹扫管中的流动情况。当清灰射流动量相对较低时，射流受到类似开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响，出现动态波动[13]，如图6(a)所示，射流和周围空气之间形成可压缩涡流环结构[14]，但是由于射流快速通过，因此，这些涡流环并不明显。
图6(b)显示了射流动量处于最高时的局部马赫数。可以看出，射流的局部马赫数值超过了当地声速(Ma≥1，Ma为马赫数)。由于空间的离散化，射流出现了特征流动模式，这种现象也被称作冲击单元[15-16]。冲击单元的形成是由于射流过度膨胀和射流的内部冲击之间相互作用的结果。射流内部的相互作用导致射流核心出现了速度的强烈波动，当射流被压缩并最终达到环境压力时，射流核心的强度将沿着喷嘴方向进一步降低。
2.2 数值模型验证
通过比较空气压缩罐和滤袋的数值模拟结果与实验压力数据来验证数值模型。对于空气压缩罐(如图7所示)，数值模拟结果曲线与实验压力数据曲线之间具有良好的一致性。脉冲阀门在t=0 s时打开，空气压缩罐中压力迅速下降，直到t=0.03 s左右停止下降，这是因为清灰气流通过吹扫管传播，气流流经管壁时，经过多次反射，直到空气压缩罐中的压力和吹扫管中的压力相接近。从t=0.04 s开始，压缩空气罐以恒定的速率排压，排压速率受脉冲阀门和喷嘴两侧的压差限制。
图 7 空气压缩罐压力的实验值与CFD值对比Figure 7. Comparison between experimental results and CFD results of pressure in the compressed air tank在滤袋中，数值结果与实验结果之间具有良好的一致性，如图8所示。在滤袋顶部位置脉冲压力短时间内上升到3 100 Pa(如图8(a)所示)。通过数值模拟研究发现，脉冲阀门的阻力控制方案(图3)与吹扫管内的压力波反射是导致滤袋顶部脉冲压力上升的主要因素，这与实验研究所得到的结论相吻合。
图 8 滤袋压力的实验值与CFD值对比Figure 8. Comparison between experimental results and CFD results of pressure on the filter bag滤袋的顶部位置和底部位置都出现了明显的周期性振荡(见图8(a)和图8(c))。研究发现，脉冲射流的局部以接近音速的速度贯穿滤袋，在到达箱体底部时，由底部钢板反射，这是引起周期性振荡的主要原因。在滤袋顶部，振荡周期约为0.035 s，这与音速穿过滤袋并通过底部钢板反射的总行程(2×6.5 m)基本吻合。同时，由于吹扫管内存在压力波扰动和射流反射的客观现象，引起了脉冲射流速度的强烈波动。在滤袋中部位置(如图8(b)所示)未出现明显的周期性振荡，这是由于滤袋中存在多个频率的压力波，相互作用抵消造成的。
射流沿垂直方向贯穿滤袋时，部分射流穿过滤袋向外传播，滤袋峰值压力沿轴向下降。在滤袋中部位置，峰值压力为2 000~2 100 Pa，这足以实现对滤袋的清洁。根据SIEVERT等[17-18]的研究，需要400~500 Pa的峰值压力才能达到良好的清灰效果。
t=0.1 s后，滤袋3个部位的压力数值模型结果与实验结果相比，均出现了偏差。该偏差的出现是因为本研究将滤袋建模为刚性结构(即忽略了滤袋偏转)，对滤袋模型设定了恒定的阻力系数而造成的。在实验装置中，滤袋由内部袋笼保持固定，滤袋与袋笼间存在很小的活动空间，在脉冲喷吹时，滤袋会出现一定程度的抖动，同时射流进入滤袋中，使得滤袋膨胀，滤袋内的纤维结构发生变形。LO等[19]研究发现，恒定的阻力系数是一个相对合理的假设，这与本研究的研究结果吻合。尽管存在一些偏差，但数值模型与实验结果之间的整体一致性良好，因此，本研究中的数值模型是有效的。
3. 结果与分析
3.1 改进喷嘴分析
对2种类型的喷嘴进行数值模拟测试，结果以速度标量场的形式显示，结果如图9和图10所示。可以看到，射流明显未对准时，t=0.016 s；射流处于最大喷射速度时，t=0.030 s；射流处于最佳对准时，t=0.040 s。
对于孔喷嘴(图9)，在明显未对准时(t=0.016 s)，射流对文丘里管的入口边缘形成冲击并产生了分流；在t=0.030 s时，未对准情况减弱，射流主要集中在文丘里管喉部右侧1/2处；在t=0.040 s时，射流的未对准情况进一步改善，入口边缘的冲击分流现象消失，射流占据了文丘里管喉部2/3的位置。
对于改进的喷嘴(图10)，在t=0.016 s时，射流的未对准现象与孔喷嘴相似，但方向朝相反侧。这是由改进喷嘴的内部几何形状导致的；在t=0.030 s时，与孔喷嘴相比，未对准现象略有改善；在t=0.040 s时，射流对准情况良好，射流近乎完全填充文丘里管的喉部。
为了量化改进效果，表1列出了在2种喷嘴中滤袋各部位峰值压力。改进喷嘴对滤袋各部位的峰值压力均有不同的提升，其中对滤袋底部的峰值压力提升最高，增长率为13.3%。研究发现，峰值压力是判断清灰效果是否良好的重要指标[20-23]。由于孔喷嘴存在射流未对准现象，改进喷嘴的峰值压力增加(5.1%~13.3%)会对滤袋清洁效果有所改进。此外，使用改进喷嘴导致峰值压力增加，使清灰系统在保持足够清洁强度的同时，降低罐压力，减少压缩空气消耗，达到节能的效果。
表 1 不同喷嘴的峰值压力Table 1. Peak pressure of different nozzles位置 孔喷嘴/Pa 改进喷嘴/Pa 增长率/% 顶部 3 117 3 277 5.1 中部 2 127 2 331 9.6 底部 2 399 2 718 13.3 | Show Table
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3.2 文丘里管分析
通过研究流经文丘里管的射流速度(图11、图12)以及滤袋中的峰值压力(表2)，分析文丘里设计对清灰效果的影响。图11和图12表明，文丘里管以及文丘里管的喉部直径对进入滤袋的清灰射流有直接影响。对比喉部直径为65 mm和85 mm的文丘里管发现，减小喉部直径(65 mm)能适当减少回流，滤袋峰值压力增加了5.5%~7.6%。如图11(c)、图12(c)所示，从无文丘里管的设计中可以看到，在滤袋入口处，射流回流显著增加，与喉径为85 mm的文丘里管相比，其峰值压力降低了41.4%~46.3%。
表 2 不同文丘里设计的滤袋峰值压力Table 2. Peak pressure for different Venturi designs文丘里管 顶部 中部 底部 压力/kPa 增长率/% 压力/kPa 增长率/% 压力/kPa 增长率/% 喉径85 mm 2 896 — 1 990 — 2 275 — 喉径65 mm 3 117 7.6 2 127 6.9 2 399 5.5 无文丘里 1 556 −46.3 1 142 −42.6 1 334 −41.4 注：—表示喉径85 mm的文丘里管与自身比较，无增长率变化。 | Show TableDownLoad:
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文丘里管的工作原理是限制回流，回流会影响滤袋中的脉冲压力。文丘里管能使脉冲射流更容易进入滤袋中，同时限制射流逃逸，从而增加滤袋各部位的压力。喉部直径为65 mm和85 mm的文丘里管之间有较小的差异，说明可能存在一个最佳的喉部直径设计。
3.3 大气粉尘的排放分析
依托中材装备集团有限公司(天津水泥研究院)的袋式除尘器数字化综合工程设备，将改进的喷嘴与喉径为65 mm文丘里管进行实际应用，分析其对大气粉尘排放的影响。在过滤风速为1.5 m·min−1，入口粉尘浓度为102 g·m−3，连续过滤时间为40 min的工况下进行过滤；在罐压力为0.2 MPa、脉冲阀导通时间为100 ms下进行脉冲喷吹；总运行时间为200 min，在排放口进行粉尘浓度监测。
通过粉尘排放特性的研究(图13)发现，除尘器连续过滤时，粉尘排放浓度的变化较为平稳；脉冲喷吹时，粉尘排放浓度瞬间上升；脉冲喷吹结束后，粉尘排放浓度瞬间下降，之后再次进入连续过滤状态。使用改进喷嘴、喉径为65 mm文丘里管的除尘器，比使用孔喷嘴、不安装文丘里管的除尘器在脉冲喷吹时的粉尘排放浓度更低。从表3中可以看到，使用改进喷嘴、喉径为65 mm文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度为0.51 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度为9.15 mg·m−3，明显低于使用孔喷嘴、不安装文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度0.66 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度13.43 mg·m−3。由此可见，本研究对喷嘴和文丘里管的优化设计能够有效地降低粉尘排放，控制大气污染。
表 3 平均粉尘排放浓度和平均峰值粉尘浓度Table 3. Mean dust emission and mean peak dust concentrationmg·m−3 喷嘴与文丘里管类型 平均粉尘排放浓度 平均峰值粉尘浓度 孔喷嘴、无文丘里管 0.66 13.43 改进的喷嘴、喉径65 mm文丘里管 0.51 9.15 | Show TableDownLoad:
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4. 结论
1)脉冲阀门建模为阻力随时间变化的多孔界面，因此，在空气压缩罐中，实验测量数据与CFD模型之间具有良好的一致性。滤袋建模为恒定阻力系数的多孔界面，在滤袋中，CFD模型所得到的脉冲压力、峰值压力与实验测量结果吻合性良好，虽然出现了轻微偏差，但CFD模型与实验之间的总体一致性良好，所以该数值模型是有效的。
2)清灰射流表现出了瞬态行为以及可压缩效应，当射流动量较低时，射流与周围空气之间形成了可压缩涡流环，但由于射流快速通过，涡流效应并不明显。当射流速度超过当地声速时，由于射流过度膨胀，因此，出现了类似冲击单元的特征流动模式。
3)射流经过吹扫管从喷嘴流出，在孔喷嘴中出现了明显的射流错位现象，在改进喷嘴中，射流错位现象得到了改善。与原始的孔喷嘴相比，改进喷嘴对滤袋内脉冲压力提升了5.1%~13.3%
4)与喉部直径为85 mm的文丘里管相比，减小喉部直径(65 mm)的设计能够适当减少回流，使滤袋内峰值脉冲压力增加5.5%~7.6%；无文丘里管的设计使射流不易进入滤袋中，并且回流在袋口处显著增加，滤袋内峰值压力降低了41.4%~46.3%。
5)应用改进喷嘴与文丘里管(喉径65 mm)的袋式除尘器，在运行时能明显降低粉尘排放，其平均粉尘排放浓度为0.51 mg·m−3、平均峰值粉尘浓度为9.15 mg·m−3，低于使用孔喷嘴、不安装文丘里管除尘器的平均粉尘排放浓度(0.66 mg·m−3)和平均峰值粉尘浓度(13.43 mg·m−3)。
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图 1 新型屋面雨水储水系统（a）箱体模型及（b）网格化设置
Figure 1. New roof rainwater storage system (a) tank model and (b) meshing
图 2 不同进水控制条件下储水系统的水力特性以及SS归趋特性模拟
Figure 2. Simulation of hydraulic characteristics of water storage system and SS motion characteristics under different inlet conditions
图 3 新型屋面雨水储水系统接续降雨模拟
Figure 3. Simulation of successive rainfall with a new roof rainwater storage system
图 5 强化过滤层的污染净化效果
Figure 5. The effect of the enhanced filtration layer for pollutant purification
表 1 单场次降雨中各面SS分布及对系统污染物沉积率和截留率
Table 1. Distribution of SS on each surface in a single rainfall event and the deposition and retention efficiency of pollutants in the system
模拟条件 进口SS体积分数/% 出口SS体积分数/% 进水口SS体积分数/% 沉淀区污染物沉积率/% 污染物截留率/% 直管 入口速度 1m/s 0.04 0.000 2 0.027 0 0.33 0.99 入口速度 3 m/s 0.04 0.005 5 0.010 0 0.75 0.86 入口速度 5 m/s 0.04 0.016 9 0.018 5 0.54 0.58 入口速度 5 m/s 弯管 90° 0.04 0.011 4 0.017 0 0.58 0.72 弯管 180° 0.04 0.012 8 0.014 3 0.64 0.68
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表 2 接续降雨过程不同时间段SS分布及系统污染物沉积率和截留率
Table 2. Distribution of SS and deposition and retention efficiency of systemic pollutants at different time intervals of successive rainfall processes
% 进水时间/min 进口SS体积分数 出口SS体积分数 过水口SS体积分数 沉淀区污染物沉积率 污染物截留率 10 0.04 0.037 3 0.037 6 −0.06 0.07 20 0.04 0.039 6 0.041 6 0.04 0.01 30 0.04 0.040 0 0.038 9 −0.03 0.00
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表 3 水质分析方法
Table 3. Methods of water quality analyses
测定指标 分析方法 参考标准 COD 快速密闭催化消解法（含光度法） 《水和废水监测分析方法》第四版 SS 重量法 《水和废水监测分析方法》第四版 TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法：GB 11894—1989》 NH3-N 纳氏试剂分光光度法 《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法：GB 11894—1989）》
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[1] 习近平. 中央城镇化工作会议[R/OL]. (2013-12-14)[2023-04-23]. https://www.gov.cn/ldhd/2013-12/14/content_2547880.htm. [2] 李文娟. 国务院办公厅印发指导意见推进海绵城市建设[J]. 工程建设标准化, 2015(10): 39 − 39. doi: 10.13924/j.cnki.cecs.2015.10.013 [3] 中华人民共和国水利部. 2021中国水资源公报[R/OL]. [2023-04-23]. https://www.gov.cn/xinwen/2022-06/16/content_5695973.htm. [4] PINFOLD J V, HORAN N J, WIROJANAGUD W, et al. The bacteriological quality of rainwater in rural northeast Thailand[J]. Water Research, 1993, 27(2): 297 − 302. doi: 10.1016/0043-1354(93)90089-Z [5] SIMMONS G, HOPE V, LEWIS G, et al. Contamination of potable roof-collected rainwater in Auckland, New Zealand[J]. Water research, 2001, 35(6): 1518 − 1524. doi: 10.1016/S0043-1354(00)00420-6 [6] FARRENY R, MORALES-PINZÓN T, GUISASOLA A, et al. Roof selection for rainwater harvesting: Quantity and quality assessments in Spain[J]. Water Research, 2011, 45(10): 3245 − 3254. doi: 10.1016/j.watres.2011.03.036 [7] GRUNG M, MELAND S, RUUS A, et al. Christensen, Occurrence and trophic transport of organic compounds in sedimentation ponds for road runoff[J]. Science of The Total Environment, 2021(751): 141808. [8] MATTEO M D, LIANGR H, MAIER R, et al. Controlling rainwater storage as a system: An opportunity to reduce urban flood peaks for rare, long duration storms[J]. Environmental Modelling & Software, 2019(111): 34 − 41. [9] 车伍, 刘燕, 李俊奇. 国内外城市雨水水质污染控制[J]. 给水排水, 2003, 29(10): 38 − 42. [10] 王倩, 张琼华, 王晓昌. 国内典型城市降雨径流初期累积特征分析[J]. 中国环境科学, 2015, 35(6): 1719 − 1725. [11] 张琼华, 王晓昌. 初期雨水识别及量化分析研究[J]. 给水排水, 2016, 52(S1): 38 − 42. doi: 10.13789/j.cnki.wwe1964.2016.0335 [12] VIALLE C, SABLAYROLLES C, SILVESTRE J, et al. Pesticides in roof runoff: Study of a rural site and a suburban site[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 120(15): 48 − 54. [13] GAO Z, ZHANG Q H, LI J, et al. First flush stormwater pollution in urban catchments: A review of its characterization and quantification towards optimization of control measures. [J]Journal of Environmental Management, 2023, 340, 117976. [14] ABBASI T, ABBASI S A. Sources of pollution in rooftop rainwater harvesting systems and their control[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2011, 41(23): 2097 − 2167. doi: 10.1080/10643389.2010.497438 [15] 杨浩. 窖水中细菌群落结构和功能的季节性变化及其与水质因子的交互响应[D]. 兰州: 兰州交通大学. 2018. [16] UNAMI K, MOHAWESH O, SHARIFI E, et al. Stochastic modelling and control of rainwater harvesting systems for irrigation during dry spells[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 88: 185 − 195. doi: 10.1016/j.jclepro.2014.03.100 [17] TAFFERE G R, BEYENE A, VUAI S A H, et al. Dilemma of roof rainwater quality: applications of physical and organic treatment methods in a water scarce region of Mekelle, Ethiopia[J]. Urban Water Journal, 2017, 14(5): 460 − 466. doi: 10.1080/1573062X.2016.1176225 [18] LASH D, WARD S, KERSHAW T, et al. Robust rainwater harvesting: probabilistic tank sizing for climate change adaptation[J]. Journal of water and climate change, 2014, 5(4): 526 − 539. doi: 10.2166/wcc.2014.080 [19] MORALES-PINZÓN T, RIERADEVALL J, GASOL C M, et al. Modelling for economic cost and environmental analysis of rainwater harvesting systems[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 87: 613 − 626. doi: 10.1016/j.jclepro.2014.10.021 [20] 陈望. 西安市屋面径流污染特征及控制技术研究[D]. 西安: 长安大学, 2019. [21] DUFRESNE M, VAZQUEZ J, TERFOUS A, et al. Experimental investigation and CFD modelling of flow, sedimentation, and solids separation in a combined sewer detention tank[J]. Computers & Fluids, 2009, 38(5): 1042 − 1049. [22] 谭志程. 基于数值模拟的新型CSO调蓄池结构优化与运行参数研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2021. [23] MIGUNTANNA N P, LIU A, EGODAWATTA P, et al. Characterising nutrients wash-off for effective urban stormwater treatment design[J]. Journal of environmental management, 2013, 120: 61 − 67. -
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