真空水力輸送管道的數值模擬研究
分析了不同類(lèi)型真空排水系統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。以室內真空排水系統中常見(jiàn)的真空污水收集單元為例進(jìn)行了數值模擬，得到了管道中持液率和壓強的瞬態(tài)變化過(guò)程，對結果做出分析，可為系統的優(yōu)化設計及運行提供參考。
真空排水系統是一種利用負壓管道中的壓力梯度進(jìn)行污水收集的新型污水收集系統，在地下建筑及對衛生條件要求較高的地區具有較高的適用性。該系統的實(shí)現需解決四個(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，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，需何種設備。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)驗設計階段，而其水力特性與真空管道設計及設備能耗密切相關(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、系統分類(lèi)及研究重點(diǎn)
真空排水系統可分為室內系統和室外系統兩種。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(lèi)型系統的水力輸送的研究重點(diǎn)如表1。
表1 不同類(lèi)型系統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粉料氣力輸送的流動(dòng)狀態(tài)有顯著(zhù)區別，真空管道內污水的流動(dòng)由負壓梯度驅動(dòng)，存在復雜的氣-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(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)生不穩定流動(dòng)。
某些參數可能發(fā)生劇烈變化，與穩態(tài)值相差較大，可能需要有較長(cháng)的時(shí)間才能重新達到新的穩定狀態(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，壓力等參數在空間上也是變化的。
現有真空排水系統設計計算時(shí)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(dòng)態(tài)負荷(計算壓力損失和設計流量);以提高系統的工作參數(系統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)設計方法輕則增加投資和運行費用，重則造成系統無(wú)法正常工作(如一味增大管徑雖然能減小根據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(shí)會(huì )顯著(zhù)增大耗氣量和能耗，運行中出現過(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)濟地設計和運行真空排水管網(wǎng)，優(yōu)化運行狀況，有必要在設計階段就對其進(jìn)行數值模擬，預測相關(guān)瞬態(tài)過(guò)程，發(fā)現實(shí)際運行中可能出現的問(wèn)題，獲得優(yōu)化的設計方案及其參數。
再者，隨著(zhù)真空排水系統向更大流量、更長(cháng)線(xiàn)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(dòng)態(tài)模型。如目前世界上最大的真空排水系統位于迪拜“棕櫚島”上，系統目前服務(wù)于2000 幢別墅，有全長(cháng)40 km 的真空管道。
5、結語(yǔ)
非恒定流動(dòng)在各種污水收集系統中普遍存在，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(guò)程進(jìn)行了數值模擬，獲得了其瞬態(tài)過(guò)程中的持液率，壓強，流速的重要參數，驗證了污水的段塞輸送機理，觀(guān)察到了管內壓強波動(dòng)，壓力梯度，氣液分離等現象。
基于本方法，更長(cháng)管線(xiàn)、更復雜的大型流體輸送管網(wǎng)的數值模擬也將成為可能。需指出的是，仿真模型的精確性仍需工程實(shí)踐的修正和完善。
