摘要
针对中国城镇供水管网中存在的盲端支管污染问题，提出安装扰流器的创新解决方案。通过粒子图像测速技术，系统研究扰流器对低雷诺数湍流中盲端支管内污染物扩散的影响及控制效果，并对其设计参数进行优化。结果表明：扰流器能够在盲端支管与干管交界处形成空腔结构，显著改变干管来流路径与流动模式，降低盲端支管内旋转强度，减弱掺混效果；扰流器的设计参数包括倾斜角度、高度和宽度，安装位置对控制效果具有显著影响；倾斜角度为30°、高度较大、宽度更大的扰流器以及安装在干管前缘的位置更能有效抑制污染物向干管扩散。本研究为供水管网水质保障与运营管理提供了新的思路和方法，对维护居民用水安全具有重要意义。
Abstract
In response to the widespread issue of pollution in dead-end pipes within urban water supply networks, an innovative solution involving the installation of spoilers was proposed. This study systematically investigated the impact of spoilers on the dispersion of pollutants within dead-end pipes under low Reynolds number turbulent flow conditions and evaluates their control effectiveness using particle image velocimetry technology. Additionally, the design parameters of the spoilers were optimized. The experimental results indicated that spoilers can create a cavity structure at the junction between the dead-end pipe and the main pipe, significantly altering the flow path and pattern of the incoming flow, reducing the rotational intensity within dead-ends, and weakening the mixing effect. The design parameters of spoilers, including tilt angle, height, and width, as well as their installation position, have a significant impact on the control effectiveness. Specifically, spoilers with a tilt angle of 30°, larger height and width, and installed at the leading edge of the main pipe are more effective in suppressing the spread of pollutants into the main pipe. This study provides new ideas and methods for water quality assurance and operational management of water supply networks, which is of great significance for ensuring the safety of residential water usage.
为保证城镇消防所需用水，城镇建筑物附近设置了基数较大的室外消火栓，根据GB 50013—2018《室外给水设计标准》规定，室外消火栓间距不应超过120 m，中等大小的市政供水管网中就存在着上千个室外消火栓，其通过连接管直接与城镇供水管网系统相连，在供水管网中形成盲端支管[1]。与管道相连的盲端支管通常采用三通与干管直接相连，由于管道内水流速度慢、水龄长，污染物容易在其中滞留导致水质恶化、管道腐蚀现象加剧[2-3]。为维护居民用水安全，需采取有效措施防止盲端支管中污染物进入干管。
目前，常采用清洗管道方法包括人工清洗[4]、冰浆清洗技术[5]和气水脉冲清洗技术[6]等。虽然这些方法可以从源头减少盲端中污染物，但是存在效率低、能耗大、成本高、停水时间长等不足。为更加经济有效地控制盲端污染物扩散，已有研究基于盲端污染物扩散机制，提出建立盲端污染物扩散数学模型，以及在盲端安装扰流器等方法。基于盲端污染物扩散数学模型，可评价受盲端影响的供水管网中铁、锰浓度分布情况，并针对污染严重区域提出消火栓放水策略以及优化管道冲洗策略[1，3，7]。在盲端支管处安装扰流器，可改变盲端支管与干管连接处水流状态，有效控制盲端内污染物向干管中扩散[8]。
扰流器按形状可分为前缘锯齿形扰流片[9]、圆柱扰流棒[10]、金属条[11]、前缘扰流板[12]等，各类扰流器在其适用领域对流体流动控制效果已被证实[13-15]。安装扰流器方法以其成本低、安装方便等优点，在盲端污染物控制领域颇具应用前景，然而其在各项参数的优化设计方面尚有欠缺。本研究旨在通过粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）技术观测与分析在供水管网长期运行中干管水流速度对盲端内污染物扩散影响规律，以及多种规格扰流器在低雷诺数湍流中对盲端内污染物扩散控制效果与规律，以优化扰流器设计参数。
1 研究方法
1.1 PIV装置
本研究采用PIV装置，观测盲端支管与其所在干管截面二维速度场，以实现对盲端内部瞬态流分析，获得一定时间维度内流体流动准确情况。所采用PIV装置主要由4部分组成，即光源系统、散播示踪粒子的被测流场、图像采集系统和图像处理系统、光源采用连续激光器，波长为532 nm，额定功率为10 W。示踪粒子采用不透明白色聚酰胺树脂颗粒，平均粒径为50 μm、折射率为1.582、密度为1 030 kg/m3。图像采集采用ISP504高速摄像机，曝光时间为1 μs，分辨率为2 320×1 720像素，焦距为50 mm和105 mm。
示踪粒子运动时间经过时间间隔Δt，位置从（x（t），y（t））变化到（x（t+Δt），y（t+Δt））。当Δt足够小时，可用式（1）表示流场瞬时速度：
(1)
式中：x和y分别代表被测流场视图窗口横纵方向， vx和vy分别为x和y方向上速度分量。
当被测流场中存在足够多示踪粒子时，PIV观测结果有效性可从统计分析上得以保证。通过建立坐标关系，计算得到各示踪粒子速度矢量后，即可建立盲端支管与其所在干管流场速度分布。
1.2 实验平台
实验平台占地60 m2，布置为环形供水回路，由水箱、管道、水泵、散播示踪粒子被测流场、变频控制器、阀门、电磁流量计、电位器式远传压力表等主要组件以及其他附件组成。实验平台各组件信息如表1所示。其中，散播示踪粒子的被测流场如图1所示，由透明的水箱、模拟消火栓和模拟供水管道组成，模拟消火栓和模拟供水管道固定在透明水箱中，通过法兰安装于环状实验管网。
表1实验平台各组件信息
Tab.1 Information on the components of the experimental platform
图1散播示踪粒子的被测流场
Fig.1Measured flow field with dispersed tracer particles
图1中虚线为模拟消火栓的中线，其横轴坐标为x=230。根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》[16]中第7.2.2条，市政消火栓宜采用直径DN150的室外消火栓；第8.1.1条，当市政给水管网设有市政消火栓时，接市政消火栓的环状给水管网的管径不应小于DN150。DN150为供水管网中最为常见消火栓型号，并且由于安装被测流场的实验平台为环状管网，选择直径DN150的室外消火栓安装于DN150环状给水管网中的场景进行模拟。受实验平台水泵可提供能量以及实验场地面积限制，对所设计被测流场进行等比缩小，模拟消火栓与模拟供水管道的透明管直径均为DN100。模拟消火栓高度为200 mm。
1.3 实验工况设计
扰流器示意如图2所示。H为扰流器高度，B为扰流器宽度，θ为扰流器倾斜角度，l为盲端支管前缘干管长度。扰流器设计高度标准基于边界层厚度确定，采用式（2）计算：
(2)
式中：δ为边界层厚度，Re为雷诺数。本研究中l均为20 cm。以管径DN100、流速1.0 m/s工况为例，由式（2）计算可得δ为0.82 cm。
图2扰流器示意
Fig.2Spoiler schematic
当扰流器的高度大于边界层时，可引发流场扰动，促使湍流生成和重新分布，形成空腔结构。因此，按照式（2）计算结果，适用于DN100管道扰流器的设计高度不宜小于1 cm。适用于其他管径的扰流器，应按管径变化比例同倍数缩放扰流器大小。实验所采用各扰流器尺寸设计参数如表2所示。
表2各扰流器尺寸设计参数
Tab.2 Design parameters for each spoiler size
为探究在供水管网长期运行中水流速度对盲端内污染物扩散影响规律，进行不同干管流速下盲端污染物扩散实验。根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》[16]中第8.1.8条，消防给水管道的设计流速不宜大于2.5 m/s。考虑到安装消火栓的供水管道可能按经济流速设计，在非消防用水时的流速可能较低，在0.10~1.80 m/s共设置10个流速工况，分别为0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20、1.40、1.60、1.80 m/s。通过控制实验平台水泵转速，改变供水管道来流速度。
为探究扰流器对盲端支管内污染物扩散控制效果与规律，进行安装与未安装扰流器控制盲端污染物扩散对比实验。考虑到实际供水管网中盲端水流速度缓慢，设计干管来流速度为0.20 m/s，雷诺数为1.7×104。此时水流液态为低雷诺数湍流，边界层厚度为1.13 cm，选择高度为2 cm的编号1扰流器进行对比实验。
为探究扰流器倾斜角度、高度、宽度以及安装位置等扰流器设计参数对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响，选择编号2~6扰流器进行扰流器设计参数影响实验。设计干管来流速度为1.00 m/s，雷诺数为8.6×104，可保证干管来流为局部均匀流。
所有实验中示踪粒子质量浓度为1 g/m3，干管来流方向为图2所示方向。
2 干管流速对污染物扩散的影响
2.1 平均流速对比
沿x方向对被测流场进行切片处理，计算每一个切片中速度矢量的横向分量vx和纵向分量vy的平均值。图3（a）为横向分量vx的平均值，向右为正方向，图3（b）为纵向分量vy的平均值，向上为正方向。图3中干管管壁坐标为y=-2与y=98，干管中心坐标为y=49。
由图3（a）可知，不同水流速度工况下，vx的平均值呈现一致规律，即在干管中心略靠近上管壁处水流速度达到越大，越靠近管壁流速越小。这说明在干管中心附近出现均匀流，随着靠近管壁，固定方向上均匀流逐渐消失。当y＞98时，即在盲端支管内部，vx的平均值并不随着流速增大而增大，在所有工况下vx的平均值都接近0。说明在盲端支管内部的水流几乎不存在横向流动。
分析图3（b）可知，在干管低流速工况下（0.10~0.40 m/s），盲端支管内vy的平均值方向为正方向（自下而上）。说明干管水流速度较低时，水流以从干管流入盲端支管为主要趋势。随着流速逐渐提高，在干管水流速度超过0.40 m/s的工况下，盲端支管内vy的平均值方向发生转变，为负方向（自下而上）。说明干管水流速度较高时，水流以从盲端支管流入干管为主要趋势，可能引起盲端支管内部污染物随水大量流入干管。随着流速逐渐提高，在干管水流速度超过1.00 m/s的高流速工况下，vy的平均值逐渐减小。此时，盲端支管内部污染物随水流入干管的量有所减少。这可能是由于在较高流速下，较小湍流涡旋取代局部均匀流成为流场内主要流体结构，使得速度矢量正负方向相互抵消。
这些结果与文献[1]中CFD数值模拟结果有较大出入。CFD数值模拟结果显示，干管中水流速度的改变不会影响污染物扩散方向与扩散量，只会影响扩散快慢，当流速越大时，污染物扩散速度越快。PIV实验结果与CFD数值模拟结果出现较大差异，可能由于在进行CFD数值模拟时缺少对盲端支管污染物扩散机制的深入理解，导致在计算模型与边界条件等设计时与现实情况出现较大偏差。后续研究需要进一步构建盲端支管污染物扩散机制模型。
2.2 涡量对比
由2.1分析可知，在干管水流速度超过1.00 m/s的高流速工况下，v的平均值逐渐减小，初步分析可能与湍流涡旋形成有关。为进一步验证该猜想，分别选取干管来流速度0.20 m/s与1.80 m/s作为低流速与高流速工况代表，进一步对比分析其涡量云图。如图4所示，0.20 m/s时流线较为稳定，尤其是经过盲端支管以后沿干管方向变得更为平滑，可以视为局部均匀流。涡旋极少，主要集中在均匀流附近，并且涡量较大。流速1.80 m/s时流线杂乱无序，可视为湍流。涡旋分布非常均匀，并且涡量较小。由此证明2.1节在较高流速下，较小湍流涡旋取代局部均匀流成为流场内主要流体结构，使得速度矢量正负方向相互抵消的猜想。值得注意的是，干管来流速度较高时（1.80 m/s），在盲端支管与下游干管连接处出现较为明显流动分离现象，形成一个反向涡旋，这有助于减缓盲端支管内污染物向干管扩散，进一步验证2.1节中在高流速工况下，盲端支管内部污染物随水流入干管的量有所减少的猜想。
图3被测流场平均流速
Fig.3Average flow velocity in the measured flow field
图4不同工况下被测流场涡量对比
Fig.4Comparison of vorticity in measured flow field under different working conditions
3 扰流器效果分析
对比安装与未安装编号1扰流器实验所得瞬时流场图（图5）发现，在没有扰流器时，干管下游管壁附近瞬时流速接近理论流速，流速分层现象不太明显。安装扰流器后，流体通过管道时横截面积减少，使干管下游瞬时流速增加，出现明显流速分层现象。这表明扰流器对干管中流体流速分布产生显著影响。
图5安装与未安装编号1扰流器实验所得瞬时流场图对比
Fig.5Comparison of transient flow field diagrams obtained from experiments with and without No.1 spoiler installed
安装编号1扰流器实验所得空腔位置涡旋示意如图6所示。下侧箭头所示来流不与盲端支管管壁接触，沿着下游管壁流动；上侧箭头所示来流，由于剪切层不稳定性，流入盲端支管，改变其中原有流体结构。这表明扰流器可以引发剪切层抬升，并在盲端支管与干管连接处形成空腔结构。
对比安装与未安装编号1扰流器实验所得涡量云图（图7），可以明显观察到有无扰流器时盲端内涡旋结构存在显著差异。在没有扰流器情况下，来流在到达盲端支管与下游干管连接处时，紧贴盲端支管右侧管壁向上流动。直到流体遇到盲端支管堵头处阻塞时，才在靠近盲端支管尽头处形成一个逆时针方向涡旋。当加入扰流器后，空腔效应导致来流在深入盲端支管之前就发生旋转，在盲端内形成“8”字型涡旋。就流速而言，有无扰流器对盲端支管内流速影响不大。但添加扰流器之后，盲端支管内旋转强度明显降低，掺混效果减弱。以0.2 m/s流速工况为例，未添加扰流器旋转强度约为5 s-1，添加扰流器之后旋转强度显著降低为2 s-1。
图6安装编号1扰流器实验所得空腔位置涡旋示意
Fig.6Vortex schematic in the cavity position obtained from experiment with No.1 spoiler installed
图7安装与未安装编号1扰流器实验所得涡量云图对比
Fig.7Comparison of vortex cloud maps obtained from experiments with and without No. spoiler installed
4 扰流器设计参数影响
4.1 扰流器倾斜角度影响
编号2和3扰流器倾斜角度分别为30°和60°，其他设计参数均相同。基于编号2和3扰流器实验所得涡量云图（如图8），分析扰流器倾斜角度对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响。扰流器倾斜角度为30°时，在盲端支管下部出现较为明显由右向左平移流场。进入盲端支管流体更偏向于横向移动，阻碍盲端支管内污染物向干管扩散。扰流器倾斜角度为60°时，进入盲端支管流体更偏向于纵向移动，在盲端支管下部生成涡旋，易携带盲端支管内污染物进入干管。由此可推断，扰流器倾斜角度设计为30°时控制盲端支管内污染物扩散效果更好。
4.2 扰流器高度影响
编号2和4扰流器高度分别为2.00 cm和1.15 cm，其他设计参数均相同。基于编号2和4扰流器实验所得涡量云图（如图9），分析扰流器高度对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响。扰流器高度为2.00 cm时，进入盲端支管干管水流在盲端支管内部只形成一个顺时针涡旋。而扰流器高度为1.15 cm时，干管来流受扰流器阻碍减小，进入盲端支管动能更强，更易形成多个涡旋，增大掺混强度，加剧盲端支管内污染物扩散。由此可见，其他设计参数相同条件下，具有更大高度扰流器控制效果更好。
4.3 扰流器宽度影响
基于编号5和6扰流器实验所得瞬时流场图（如图10），分析扰流器倾斜宽度对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响。安装不同宽度扰流器时，盲端支管内部流场相似，呈现顺时针方向旋转流动。对比二者发现，扰流器宽度更大时，顺时针旋转涡旋趋势更为明显，可认为其对污染物控制效果也更好。尽管如此，与长度和高度相比，扰流器宽度对盲端支管内部流体流动状态影响较不明显，工程应用中应重点关注扰流器倾斜角度与高度参数优化。
图8安装编号2和3扰流器实验所得涡量云图对比
Fig.8Comparison of vortex cloud maps obtained from the experiment with No.2 and 3 spoiler installed
图9安装编号2和4扰流器实验所得涡量云图对比
Fig.9Comparison of vortex cloud maps obtained from experiments with No.2 or 4 spoiler installed
图10安装编号5和6扰流器实验所得瞬时流场图对比
Fig.10Comparison of transient flow field diagrams obtained from experiments with No.5 or 6 spoiler installed
4.4 扰流器安装位置影响
将干管来流首先到达的盲端支管与干管连接处的干管管壁称为干管前缘，支管管壁称为支管前缘。基于编号1扰流器分别安装于干管前缘与支管前缘实验所得旋转强度图（图11），分析扰流器安装位置对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响。当扰流器安装在干管前缘时，干管来流分别沿着盲端支管左右侧管壁上行，并且仅在支管入口处形成逆时针转动涡旋，支管内污染物几乎不受干管来流扰动。当扰流器安装在支管前缘时，干管来流沿着盲端支管右侧管壁上行，由于扰流器阻挡，在支管左侧壁反射，内部形成一个逆时针转动涡旋。与扰流器安装在干管前缘相比，当扰流器安装在支管前缘时，一方面扰流器面积仅为盲端支管横截面积9.7%，不能有效减少盲端支管内流体向干管下游湍流扩散；另一方面，支管横截面积减小，增加进入支管流体动能，加剧支管内污染物释放。因此，将扰流器安装在干管前缘时，控制盲端支管内污染物扩散效果更好。
图11编号1扰流器分别安装于干管前缘与支管前缘实验所得旋转强度图对比
Fig.11Comparison of rotational intensity diagrams from experiments with No.1 spoiler installed on the leading edge of the main pipe or the leading edge of the branch pipe
然而，将扰流器安装于干管前缘不可避免地会引起供水管网水头损失的增加。为进一步探究安装扰流器对供水管网水力的影响，通过式（3）计算扰流器的局部阻力系数：
(3)
式中：ζ为扰流器的局部阻力系数，h为压力降，g为重力加速度，为扰流器后（水流方向）的平均水流速度。
在实验室条件下，经过测定h与后计算得到编号1扰流器的局部阻力系数为1.2。由此计算得到在水流速度为1.00 m/s时，编号1扰流器的局部水头损失仅为5.85×10-4 MPa。而一根长度1 000 m的DN100铸铁管沿程水头损失为2.06×10-2 MPa。与管道沿程水头损失相比，扰流器的局部水头损失小了近2个数量级，对供水管网水力影响几乎可以忽略不计。
5 结论
1）随着供水管道水流速度的增加，盲端支管内部流体流向由从干管流入盲端支管转变为从盲端支管流入干管。高流速下形成的反向涡旋减缓了污染物的扩散，表明涡旋结构在盲端污染物控制中起重要作用。
2）加入扰流器能够在盲端支管与干管交界处形成空腔结构，并导致涡旋生成和重新分布，从而显著改变干管来流路径与流动模式。在低雷诺数湍流中，扰流器功能得到良好实现，盲端支管内旋转强度明显降低，掺混效果减弱。
3）扰流器倾斜角度对扰流器控制盲端支管内污染物扩散效果影响最为显著，倾斜角度为30°时控制效果更好。其次，控制扰流器高度也十分重要。在相同倾斜角度下，高度较大扰流器更能有效抑制涡旋。再者，当扰流器宽度更大时，顺时针旋转涡旋趋势更为明显，对污染物控制效果也更好。此外，扰流器安装位置应位于干管前缘，才更能发挥其效果，同时其对供水管网水力影响几乎可以忽略不计。
4）本研究主要关注扰流器的倾斜角度、高度、宽度和安装位置等设计参数对盲端污染物扩散控制效果的影响，而对于扰流器的具体形状及其在实际应用中的流体动力学效应尚未深入探讨，为未来研究提供了进一步探索的空间。在未来的研究中，可以考虑对不同形状扰流器的流体控制效果进行比较分析，以期发现更为有效的扰流器设计。
