真空水力输送管道的数值模拟研究

　　分析了不同类型真空排水系统水力输送的研究重点。讨论了真空水力输送管道的流动形态及其非恒定流问题。介绍了一种用于真空水力输送管道模拟的气液双流体模型。以室内真空排水系统中常见的真空污水收集单元为例进行了数值模拟，得到了管道中持液率和压强的瞬态变化过程，对结果做出分析，可为系统的优化设计及运行提供参考。

　　真空排水系统是一种利用负压管道中的压力梯度进行污水收集的新型污水收集系统，在地下建筑及对卫生条件要求较高的地区具有较高的适用性。该系统的实现需解决四个问题：①真空如何产生，需何种真空发生装置;②污水如何进入系统，需何种阀件及控制方式;③污水如何在真空管道中输送;④收集至真空站的污水如何排出真空系统，需何种设备。目前业界对①、②、④已有了较为清晰的认识和技术手段，而对真空管道的水力输送机理仍处于经验设计阶段，而其水力特性与真空管道设计及设备能耗密切相关。本文将围绕第③点，首次引入两相管流瞬态模拟技术作一探索。

　　1、系统分类及研究重点

　　真空排水系统可分为室内系统和室外系统两种。前者主要用于建筑排水领域，后者主要用于市政领域。不同类型系统的水力输送的研究重点如表1。

表1 不同类型系统水力输送的研究重点

　　2、管道流动特点

　　2.1、流动形态

　　真空水力输送管道与重力排水管道及传统粉料气力输送的流动状态有显著区别，真空管道内污水的流动由负压梯度驱动，存在复杂的气-液- 固三相流动。由于固相污物进入管道后往往被高速流动破碎分散，故将液- 固两相视作同一相，进而将管道内流动看作气- 液两相流动。如图1 为常见的竖直及水平(或近水平)管道中的气- 液两相流的流型。对于气液比由小至大分别是：泡状流、段塞流、团状流(或分层流)、环状流。

图1 竖直及近水平管道中的气液两相流的流型

　　2.2、非恒定流问题

　　排水终端开始或终止排水、终端工作条件变化、管道泄漏或堵塞，或设备故障均会使进入管道的气液流量发生变化、从而产生不稳定流动。

　　某些参数可能发生剧烈变化，与稳态值相差较大，可能需要有较长的时间才能重新达到新的稳定状态。如在真空界面阀开启，排水终端排水时，污水和空气在时间上是相继进入系统的，即入口处的气液比在时间上并非恒定。又如，真空管道高低起伏(呈锯齿形或U 形布置)，污水易在低处聚集，沿管方向上的气液比，压力等参数在空间上也是变化的。

　　现有真空排水系统设计计算时往往采用：按一定概率将易于计算的静态负荷累加，以推算总动态负荷(计算压力损失和设计流量);以提高系统的工作参数(系统工作真空度或管径等)来近似处理瞬态多相流动。这样静态设计方法轻则增加投资和运行费用，重则造成系统无法正常工作(如一味增大管径虽然能减小根据修正公式计算的管道沿程损失，但在输送较小液相流量的气液两相流时会显著增大耗气量和能耗，运行中出现过多“气穿水”的环状流，而实际压力损失则并非一定减小)。为经济地设计和运行真空排水管网，优化运行状况，有必要在设计阶段就对其进行数值模拟，预测相关瞬态过程，发现实际运行中可能出现的问题，获得优化的设计方案及其参数。

　　再者，随着真空排水系统向更大流量、更长线路及更复杂化方向发展，亦有必要研究管网中多相流的动态模型。如目前世界上最大的真空排水系统位于迪拜“棕榈岛”上，系统目前服务于2000 幢别墅，有全长40 km 的真空管道。

　　5、结语

　　非恒定流动在各种污水收集系统中普遍存在，在真空水力输送管道中尤为突出。本文运用双流体模型，对真空污水收集单元的工作过程进行了数值模拟，获得了其瞬态过程中的持液率，压强，流速的重要参数，验证了污水的段塞输送机理，观察到了管内压强波动，压力梯度，气液分离等现象。

　　基于本方法，更长管线、更复杂的大型流体输送管网的数值模拟也将成为可能。需指出的是，仿真模型的精确性仍需工程实践的修正和完善。