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。討論了真空水力輸送管道的流動形態(tài)及其非恒定流問題。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)中常見的真空污水收集單元為例開展了數(shù)值模擬，得到了管道中持液率和壓強的瞬態(tài)變化過程，對結(jié)果做出分析，可為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行提供參考。

真空排水系統(tǒng)是一種利用負壓管道中的壓力梯度開展污水收集的新型污水收集系統(tǒng)，在地下建筑及對衛(wèi)生條件要求較高的地區(qū)具有較高的適用性。該系統(tǒng)的實現(xiàn)需解決四個問題：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①、②、④已有了較為清晰的認識和技術(shù)手段，而對真空管道的水力輸送機理仍處于經(jīng)驗設(shè)計階段，而其水力特性與真空管道設(shè)計及設(shè)備能耗密切相關(guān)。本文將圍繞第③點，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

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如下表1。

表1不同類型系統(tǒng)水力輸送的研究重點

2、管道流動特點

2.1、流動形態(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狀態(tài)有顯著區(qū)別，真空管道內(nèi)污水的流動由負壓梯度驅(qū)動，存在復雜的氣-液-固三相流動。由于固相污物進入管道后往往被高速流動破碎分散，故將液-固兩相視作同一相，進而將管道內(nèi)流動看作氣-液兩相流動。如圖1為常見的豎直及水平(或近水平)管道中的氣-液兩相流的流型。對于氣液比由小至大分別是：泡狀流、段塞流、團狀流(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、非恒定流問題

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

某些參數(shù)可能發(fā)生劇烈變化，與穩(wěn)態(tài)值相差較大，可能需要有較長的時間才能重新到達新的穩(wěn)定狀態(tài)。如在真空界面閥開啟，排水終端排水時，污水和空氣在時間上是相繼進入系統(tǒng)的，即入口處的氣液比在時間上并非恒定。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)計計算時往往采用：按一定概率將易于計算的靜態(tài)負荷累加，以推算總動態(tài)負荷(計算壓力損失和設(shè)計流量);以提高系統(tǒng)的工作參數(shù)(系統(tǒng)工作真空度或管徑等)來近似處理瞬態(tài)多相流動。這樣靜態(tài)設(shè)計方法輕則增加投資和運行費用，重則造成系統(tǒng)無法正常工作(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會顯著增大耗氣量和能耗，運行中出現(xiàn)過多“氣穿水”的環(huán)狀流，而實際壓力損失則并非一定減小)。為經(jīng)濟地設(shè)計和運行真空排水管網(wǎng)，優(yōu)化運行狀況，有必要在設(shè)計階段就對其開展數(shù)值模擬，預(yù)測相關(guān)瞬態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)實際運行中可能出現(xiàn)的問題，獲得優(yōu)化的設(shè)計方案及其參數(shù)。

再者，隨著真空排水系統(tǒng)向更大流量、更長線路及更復雜化方向發(fā)展，亦有必要研究管網(wǎng)中多相流的動態(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40km的真空管道。

5、結(jié)語

非恒定流動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。本文運用雙流體模型，對真空污水收集單元的工作過程開展了數(shù)值模擬，獲得了其瞬態(tài)過程中的持液率，壓強，流速的重要參數(shù)，驗證了污水的段塞輸送機理，觀察到了管內(nèi)壓強波動，壓