真空水力輸送管道的數(shù)值模擬分析

真空水力輸送管道的數(shù)值模擬分析分析了不同類型真空排水系統(tǒng)水力輸送的研究重點(diǎn)。討論了真空水力輸送管道的流動(dòng)形態(tài)及其非恒定流問(wèn)題。介紹了一種用于真空水力輸送管道模擬的氣液雙流體模型。以室內(nèi)真空排水系統(tǒng)中常見(jiàn)的真空污水收集單元為例開(kāi)展了數(shù)值模擬，得到了管道中持液率和壓強(qiáng)的瞬態(tài)變化過(guò)程，對(duì)結(jié)果做出分析，可為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

真空排水系統(tǒng)是一種利用負(fù)壓管道中的壓力梯度開(kāi)展污水收集的新型污水收集系統(tǒng)，在地下建筑及對(duì)衛(wèi)生條件要求較高的地區(qū)具有較高的適用性。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需解決四個(gè)問(wèn)題：①真空如何產(chǎn)生，需何種真空發(fā)生裝置;②污水如何進(jìn)入系統(tǒng)，需何種閥件及控制方式;③污水如何在真空管道中輸送;④收集至真空站的污水如何排出真空系統(tǒng)，需何種設(shè)備。目前業(yè)界對(duì)①、②、④已有了較為清晰的認(rèn)識(shí)和技術(shù)手段，而對(duì)真空管道的水力輸送機(jī)理仍處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，而其水力特性與真空管道設(shè)計(jì)及設(shè)備能耗密切相關(guān)。本文將圍繞第③點(diǎn)，首次引入兩相管流瞬態(tài)模擬技術(shù)作一探索。

1、系統(tǒng)分類及研究重點(diǎn)

真空排水系統(tǒng)可分為室內(nèi)系統(tǒng)和室外系統(tǒng)兩種。前者主要用于建筑排水領(lǐng)域，后者主要用于市政領(lǐng)域。不同類型系統(tǒng)的水力輸送的研究重點(diǎn)如下表1。

表1不同類型系統(tǒng)水力輸送的研究重點(diǎn)

2、管道流動(dòng)特點(diǎn)

2.1、流動(dòng)形態(tài)

真空水力輸送管道與重力排水管道及傳統(tǒng)粉料氣力輸送的流動(dòng)狀態(tài)有顯著區(qū)別，真空管道內(nèi)污水的流動(dòng)由負(fù)壓梯度驅(qū)動(dòng)，存在復(fù)雜的氣-液-固三相流動(dòng)。由于固相污物進(jìn)入管道后往往被高速流動(dòng)破碎分散，故將液-固兩相視作同一相，進(jìn)而將管道內(nèi)流動(dòng)看作氣-液兩相流動(dòng)。如圖1為常見(jiàn)的豎直及水平(或近水平)管道中的氣-液兩相流的流型。對(duì)于氣液比由小至大分別是：泡狀流、段塞流、團(tuán)狀流(或分層流)、環(huán)狀流。

圖1豎直及近水平管道中的氣液兩相流的流型

2.2、非恒定流問(wèn)題

排水終端開(kāi)始或終止排水、終端工作條件變化、管道泄漏或堵塞，或設(shè)備故障均會(huì)使進(jìn)入管道的氣液流量發(fā)生變化、從而產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)。

某些參數(shù)可能發(fā)生劇烈變化，與穩(wěn)態(tài)值相差較大，可能需要有較長(zhǎng)的時(shí)間才能重新到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)。如在真空界面閥開(kāi)啟，排水終端排水時(shí)，污水和空氣在時(shí)間上是相繼進(jìn)入系統(tǒng)的，即入口處的氣液比在時(shí)間上并非恒定。又如，真空管道高低起伏(呈鋸齒形或U形布置)，污水易在低處聚集，沿管方向上的氣液比，壓力等參數(shù)在空間上也是變化的。

現(xiàn)有真空排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)往往采用：按一定概率將易于計(jì)算的靜態(tài)負(fù)荷累加，以推算總動(dòng)態(tài)負(fù)荷(計(jì)算壓力損失和設(shè)計(jì)流量);以提高系統(tǒng)的工作參數(shù)(系統(tǒng)工作真空度或管徑等)來(lái)近似處理瞬態(tài)多相流動(dòng)。這樣靜態(tài)設(shè)計(jì)方法輕則增加投資和運(yùn)行費(fèi)用，重則造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作(如一味增大管徑雖然能減小根據(jù)修正公式計(jì)算的管道沿程損失，但在輸送較小液相流量的氣液兩相流時(shí)會(huì)顯著增大耗氣量和能耗，運(yùn)行中出現(xiàn)過(guò)多“氣穿水”的環(huán)狀流，而實(shí)際壓力損失則并非一定減小)。為經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)和運(yùn)行真空排水管網(wǎng)，優(yōu)化運(yùn)行狀況，有必要在設(shè)計(jì)階段就對(duì)其開(kāi)展數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)相關(guān)瞬態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案及其參數(shù)。

再者，隨著真空排水系統(tǒng)向更大流量、更長(zhǎng)線路及更復(fù)雜化方向發(fā)展，亦有必要研究管網(wǎng)中多相流的動(dòng)態(tài)模型。如目前世界上最大的真空排水系統(tǒng)位于迪拜“棕櫚島”上，系統(tǒng)目前服務(wù)于2000幢別墅，有全長(zhǎng)40km的真空管道。

5、結(jié)語(yǔ)

非恒定流動(dòng)在各種污水收集系統(tǒng)中普遍存在，在真空水力輸送管道中尤為突出。本文運(yùn)用雙流體模型，對(duì)真空污水收集單元的工作過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值模擬，獲得了其瞬態(tài)過(guò)程中的持液率，壓強(qiáng)，流速的重要參數(shù)，驗(yàn)證了污水的段塞輸送機(jī)理，觀察到了管內(nèi)壓強(qiáng)波動(dòng)，壓