城市污水管网在实际运行过程中，悬浮颗粒物的沉积是影响管网输运能力的一个重要因素。课题组前期调研结果表明^[1]，某市城区80%的污水管道都存在沉积现象，且以管道交汇处最为严重。交汇区内复杂的水流运动会对颗粒态污染物输移产生较强的滞留作用，进而影响污水管道的正常运行^[2,3]。因此，研究污水管网交汇水力条件下污染物的运动特性，对于城市管网的稳定运行具有重要的指导意义。

污水管网为地下封闭暗管，且分布错综复杂，不易进行实时监测，而现代化计算模拟技术手段的应用能够极大程度地克服现场实测方面的不足。数值模拟方法能够灵活地改变模型边界条件，适用于各种情形下的流态模拟。在此之前关于交汇水流方面的模拟已有大量的研究^[4,5]。但大多局限于明渠流和清水模型层面上，与实际污水流态相比偏差较大，且尚无针对城市管网方面的研究。污水为固液两相流，将污水单纯的视为清水，忽略了固体颗粒物对流体的作用，水力特性差异较大。

本文以城市污水交汇管网为研究对象，通过试验模型构建与三维数值模拟VOF耦合DPM模型相结合的技术手段，分析探讨了交汇段纵深和沿程方向上的流态分布、污水中悬浮颗粒物的运动轨迹以及不同流态分区下污染物的浓度分布特征，探明了管道交汇段污水流态变化对碳、氮、磷3类污染物运动特性的影响规律，旨在为城市污水管网的稳定运行和水质预测提供理论参考。

试验装置如图1a所示，由流量调节系统、水流循环系统、量测及其他辅助设备组成。装置主体为有机玻璃管，干管管径为200 mm，总有效长度16m；支管管径为100mm，总有效长度12m，干支交汇位置设在干管11m处。管道内壁适当打磨以控制管道沿程阻力系数及雷诺数，使其内壁粗糙度与实际钢筋混凝土管的粗糙度相近，以确保模型试验与实际污水管道流动特性相似^[6]。管段连接处采用法兰和橡胶圈密封，以确保装置密封性良好；进口段各设3道挡水溢流堰，以保证管内水流流态。管道顶部在交汇口及其沿程附近共开设6个测量口，开口处用铁皮、橡胶垫及抱箍密封；侧壁及底部设置污水取样口，出水口用止水夹密封。管道采用2cm厚的保温材料包裹，以模拟实际污水管道避光恒温的内部环境，装置用铸铁架支撑，坡度为5‰。干管和支管进水箱规格分别为1L和0.5L，出水箱规格为1L。

试验进水为城市污水，通过水箱内放置的潜污泵提升至管道交汇系统，污水随管流方向流至出水箱，再由出水箱内置的潜污泵分流流回至进水箱，以此进行水流内循环，达到模拟实际污水管道交汇的目的。

干流、支流及交汇下游流量分别为Qg、Qz和Qt，其中Qt=Qg+Qz。本研究试验工况如下：Qg为4.65L/s,Qz为0.48L/s,Qt为5.13L/s。在该工况下，每日下午17:00更换试验进水，水力停留时间24h，稳定运行30d后，打开污水取样口进行测样分析。本次试验仅以1组工况为例，但基本能真实地反映出交汇区域水流流动模式和污染物运移规律。试验用水取自西安市某污水处理厂栅前水，污水理化指标如下：污水密度为1 028.58kg/m³；颗粒物密度为1 335.82kg/m³；颗粒物体积分数为9%；粒径分布d50;TCOD为536～832 mg/L;TN为56.24～89.17mg/L;TP为8.54～13.20mg/L;pH为7.04～7.31。

测量断面及取样点布置见图1，试验采用三维坐标系，X轴正向为干流水流方向，Y轴负方向为水深方向，Z轴正向为入汇口指向侧。测量断面的位置依据管道开设的测量口划分，共选取8个测量断面，干管测点位置为G1～G7断面，支管为Z1断面，每个横断面取正中心垂线位置进行水深、流速等水力指标测定分析，进口流量控制点为G1和Z1断面。水深由测针量测得到，流速采用超声多普勒流速仪（ADV）测量。取样口的位置依据沿程不同流态分区设定，共设置7个取样口，试验采集的水样都采用随取随测的原则，且每个取样点均设置3组平行样进行污染物指标分析，取平均值作为最终有效数据。粒径分布采用激光粒度分布测定仪进行测量；TCOD采用重铬酸钾法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解法测定；TP采用钼锑抗分光光度法测定^[17]。

本文应用N-S方程作为控制方程，采用RNG k-ε湍流模型建立封闭方程组，该模型对于无压圆管的计算具有数值稳定性好、精度高、计算量适中等优点^[8,9]。上述方程统一为式（1):

式中ρ———流体密度，kg/m³;

φ———通用变量；

t———时间变量，s;

u^→———流速，m/s;

Γ_φ———广义的扩散系数；

S_φ———广义源项。

模型计算域为交汇口及其沿程附近区域，干管管长4m，支管管长1.2m，干支交汇位置设在干管1.5m处，采用有限体积法离散计算域。管道交汇区网格如图2所示，交汇口采用非结构性网格局部加密，其他区域则用六面体结构性网格，网格总数77.8万。进口边界依据试验水位分为气相和液相两部分，充满度为0.5，上层气相采用压力进口边界，下层水相采用速度进口边界，干管进口速度为0.35m/s，支管进口速度为0.15 m/s，出口为压力出口边界，压力值采用大气压。

数值模拟采用VOF耦合DPM模型对污水管道交汇段的水力特性进行仿真求解。VOF模型适用于分层或自由表面流，用于捕捉气液界面。DPM模型（离散相模型，颗粒轨道模型）通过向水相中注入颗粒，颗粒相与水相通过双相耦合进行动量间交换，以此模拟污水在交汇管道内部的流动特性，也可追踪颗粒相在流体中的运动轨迹。

模型求解分为2个阶段：(1)求解连续相流场。启用VOF模型，操作压强为101 325Pa，湍流强度为4%，水力直径取圆管直径，压力-速度耦合使用Simple算法，动量、湍动能、耗散率使用二阶迎风格式，打开界面张力和重力选项。壁面处采用标准壁面函数法，无滑移壁面条件，管壁粗糙度n为0.014。计算域为非稳态求解，时间步长0.001s，残差值均设置为10^-4;(2)求解离散相方程。待VOF模型计算稳定后，打开DPM模型，向水相中注入颗粒，入射类型为surface，启动双向耦合，颗粒物密度为1 335.82kg/m，惰性颗粒，粒径为50μm，干管和支管进口质量流量分别为6.22kg/s和0.64kg/s，继续计算直到共同收敛为止。

数值模拟主要以进出口流量差当作收敛的主要依据，残差图作为收敛性的辅助判断^[10]。通过干管和支管进出口质量流量对比，误差为0.39%，残差图内的各项参数均达到了10^-5，因此判定模型已收敛，计算所得结果可用做研究分析。试验与模拟速度对比如图3所示。

由图3可以看出，G2、G5、G6截面试验与污水模拟垂线速度基本吻合且变化趋势一致，与清水模拟相差较大。清水模型速度的最大误差为0.062m/s，污水模型最大误差为0.021m/s，用清水模型代替污水将会导致研究结果与现实不符甚至会出现很大的偏差。由于污水的特殊性，使其与清水模型在流动性方面具有一定的差异性。污水在流动过程中除了各相内部的一些复杂力学特征外，还存在着相与相之间的相互作用；污水中的固体颗粒物，在一定程度上也可改变污水的流动阻力损失^[11]。基于污水的复杂性，本研究从实际出发，采用VOF耦合DPM模型模拟管道内部污水的三维流动特性，模拟与试验拟合度高。验证结果表明，应用此模型算法可以用来反映实际污水管道交汇内部的水流特性，同时在相同边界条件下，也可探究其他不同工况下的流态分布。

在污水管道交汇区，支流垂直射入干流，干、支流强烈混摻，导致干管上游水流无法保持原有的流态，形成了复杂多变的水力特性。Y=-0.025m截面速度分布云图和矢量图显示，干支交汇水流流态形成了大小不同的流速分区。管道交汇区干支流相互顶托，使得交汇上游产生了一定程度的壅水现象，造成近入汇侧拐角处出现水流停滞区，而对侧由于束水作用流速增大至0.45～0.55 m/s。在交汇区下游入汇一侧较短的距离处形成回流分离区，该区域流速急剧减小，在0.05～0.25m/s。由于分离区的存在，外部水流产生收缩现象，管道中部形成最大流速区，流速可达0.65m/s以上。

从图4可以看出，沿纵深方向，交汇段近表层和近底层水流流动结构存在显著差别。与Y=-0.025m截面水流相比，Y=-0.04 m截面支流入汇时明显向下游干流X轴方向偏折，表明近管底支流以较小的角度α进入干流，致使沿Z轴方向动量输入较小；而近表层水流则以较大的α角进入干流，且在交汇下游近入汇侧有螺旋流产生。沿水深方向α角不断减小，水流停滞区和回流分离区范围由表层至底层也随之减小直至消失；交汇上游近管底流速较近水面流速整体偏小，交汇下游则与之相反，这主要是由于支流入汇时上下层水流入射方向及入射动量的差异造成的^[12]。

图5为污水管道交汇段沿程各相流体速度分布和矢量分布，上层为气相，下层为液固混合相。随干流流动方向，不同断面受支流入汇影响较为不同，导致X截面各垂线产生了不同速度分布变化。

从图5中可以看出，水相各断面垂线平均流速呈先增大后减小趋势，且交汇前速度分布比交汇后受支流入汇影响较小，干管底部水流比表层水流受入汇影响较小。由于干支流相互顶托，交汇下游水位降低，且总流量增大，下游整体流速比上游大，最大流速区出现在交汇后沿程水相中部区域，速度可达0.6m/s以上。在交汇下游段，支流入汇影响逐渐减弱，水面形态和流速分布逐渐恢复为交汇前的稳定状态。

综上分析，依据污水管道交汇三维流动特性，干支交汇段主要形成了六大流速分区：水流停滞区、大流速区、流速偏折区、回流分离区、最大流速区和流动复原区^[23]。流速是影响污水管道悬浮颗粒物物理沉积的一个重要因素，受不同流速分区的影响，交汇段悬浮颗粒物会呈现出不同的沉积特性。

在颗粒物和流体的混合运动中，相与相之间是相互依存、相互影响、相互作用的。颗粒物在交汇管流中受不同强度水流冲刷作用，污水中颗粒物的运动轨迹不同。

图6表明，沿污水流动方向，在交汇上游段，颗粒物随水流运动平稳。水流偏折区附近由于干支流混摻强烈，颗粒物运动受水流影响波动较大。回流分离区域内污水流速最低，同时伴有螺旋流产生，颗粒物在此区域沉降显著，受入射方向和入射动量的影响，逐渐向侧壁及管底运动。在交汇下游流动复原区内，流体流速急剧增大，较大的流速有利于颗粒物的均匀分布，使得颗粒群的沉积与悬浮保持动态平衡，颗粒物运动又开始趋于稳定而不再继续沉降，污水逐渐均质化。颗粒群运动轨迹的研究能很好地解释颗粒物淤积情况，有利于有针对性地对管道沉积物进行清理。

污水管道内污染物与颗粒物一起随水流运动，管道内污染物的输移转化对受纳水体的水质影响极大。依据上述污水管道交汇流态三维特性分析，在管道沿程不同分区设置污水取样口，以此对污染物运移特性进行解析。在水流停滞区和回流分离区管道侧壁设置取样口，其他分区则设置在管底正中心，取样点布置见图1b。

图7呈现了各分区典型污染物的浓度分布变化，从图中能明显的看出不同交汇流态下污水中TCOD、TN、TP浓度存在明显差异，回流分离区TCOD、TN、TP的浓度都是最高的，水流停滞区次之，最大流速区污染物浓度最低。水流停滞区和回流分离区处在管道交汇拐角处，属低流速区范畴，颗粒物在此区域沉降显著，受支流入射方向和入射动量的影响，污染物在管道侧壁沉降累积较多，浓度急剧增加。流速偏折区干支流交汇，混摻强烈，湍动能显著增大，此区域颗粒物运动剧烈，污染物不易沉降，浓度较汇前明显降低。在回流分离区与最大流速区之间，污水速度梯度变化极大，水流剪切力占据主导地位，在水流剪切力的作用下悬浮颗粒物之间会不断发生碰撞、摩擦，一些大颗粒物质会被削减转化为小颗粒物质，污染物大多处于悬浮状态，在最大流速区域内管底沉积极少。汇前稳定区和流动复原区流态稳定，颗粒物随水流运动平稳，污染物的沉降和悬浮处于相对平衡状态，入汇后流动复原区流速整体增大，该区域管底污染物沉降浓度较汇前稳定区低。受不同交汇流态分区的影响，TCOD沿程浓度变化最大，为61.2%;TN和TP较小，分别为32.7%和24.2%。相关研究表明^[24]，管道中有机污染物易存在于大颗粒物上，氮、磷类污染物易吸附在小颗粒物上，大颗粒物较小颗粒物更易沉降，沿程TCOD变化较TN和TP显著。综上分析，污水在管网输送过程中，污染物质会不断地进行着迁移、转化，在不同交汇流态分区内管道污染物呈现出了不同的运动特征，探明污水管道交汇流态变化对污染物运动特性的影响规律，可为管网水质预测提供理论参考。

(1）模拟验证表明，以常规清水模型模拟污水运动特征偏差较大，采用VOF耦合DPM模型方法，模拟与试验拟合度高，应用此模型方法可以对污水管道交汇内部的三维水流特性进行研究分析，同时在相同边界条件下，也可探究其他不同工况下的流态分布。

(2）交汇上游壅水现象严重，干支管水流无法保持原有的流态，形成了不同的流速分区，主要有水流停滞区、大流速区、流速偏折区、回流分离区、最大流速区和流动复原区。纵深方向上，交汇段近表层和近底层水流流动结构存在显著差别，水流停滞区和回流分离区范围由表层至底层逐渐减小直至消失，交汇上游近管底流速较近水面流速整体偏小，交汇下游则与之相反。沿程方向上，管道各断面垂线平均流速呈先增大后减小的趋势，且交汇前速度分布比交汇后受支流入汇影响较小，干管底部水流比表层水流受入汇影响较小；交汇下游整体流速比交汇上游大。

(3）沿污水流动方向，颗粒物在回流分离区沉降显著，逐渐向侧壁及管底运动，该区域TCOD、TN和TP的浓度最高，水流停滞区次之。在交汇下游流动复原区内，颗粒物逐渐趋于稳定不再继续沉降，污染物浓度随之降低。TCOD沿程不同交汇流态分区浓度变化最大，为61.2%;TN和TP较小，分别为32.7%和24.2%，在低流速下碳类污染物较氮、磷类污染物更易发生沉降。