真空排水管网压力损失模型研究及应用.pdf
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1、第 2 5卷第 1 期 2 0 0 8年 3月 华 中 科技大学学 报 ( 城 市科 学版 ) J 0 f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo 1 25 No1 M a r 20 08 真 空排水管 网压 力损 失模型研 究及 应用 段金明 , 周敬宣 , 黄 余。 ( 1 集美大 学环境工程研究所 ,福建厦 门 3 6 1 0 2 1 ; 2 华 中科 技大学环境科学 与工程学院 , 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ;3 广东特种设备检测 院茂名分 院,广东 茂名 5 2 5 0 0 0 ) 摘 要 : 基于 真空排水 管路输送 模拟
2、实验 和气液两 相流分 相模 型 , 建 立 了真空排 水管 网摩擦 压 力损 失计算 模 型。 此模型计算结果 比传统计算模 型更 接近实验结果 。 在此基础 上, 探讨 了最大 收集 半径问题 , 在 地势平 坦的条 件下 , 真空排污 管道 系统 理论上最大服务半径可 达 2 8 0 0 4 5 0 0 I T I 。在实际工程 中管道因爬坡增 加提升损失 , 收集半径 会相应减小 。 关键 词 : 真空排水 系统 ; 摩擦压力损失 ; 模拟实验 ; 分相流模型 ; 最大收集半径 中 图分 类 号 : TU9 9 2 2 2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 2
3、 7 0 3 7 ( 2 0 0 8) O l 一 0 0 2 8 0 4 与 现 行 的重 力 排 水 系 统 相 比 , 真空 排 水 系 统 不 但 节 约 用 水 、 保 护 环 境 , 而 且 具 有 管 径 相 对 较 小 、 土 方 开挖 量少 、 污 水易 提升 、 管 网安装 方便 、 经 济性能好等优点, 此系统可用于城镇居民、 生态旅 游 区 以 及 缺 水 和 修 建 重 力 排 水 系 统 困 难 的 地 区 卜引。 重力排水管道流动压降计算模型未考虑污水 的多 相 流特 性 , 将 污水 流动 近似 视为 均匀重 力 流 , 主要采 用 哈森 一 威 廉公 式 计算
4、 摩擦 阻 力损 失 ( 也 称 摩擦损 失) 4 。事实上, 真空排水系统是利用空气 作为传输介质来输送 污水 , 管道 内流体呈气、 液 、 固三相流。进入真空管路的空气体积通常是污水 体积的好几倍 , 空气对污水在管道中的流动规律 产生 较 大影 响 5 。为适 应 多相 大流 量 、 线 路 复 杂 的 长真 空 排 水 管 网压 力 损 失计 算 , 传 统摩 擦 阻力 损失计算公式有待进一步修正。 本文基于真空排水管路输送模拟实验和气液 两 相 流 分 相模 型 , 建 立 真 空排 水 管 网 摩擦 压 力 损 失 计 算 模 型 , 并 利 用 此模 型探 讨 真 空 排水 系
5、 统 的 最大收集半径 问题 , 其 目的是为真空排水管 网乃 至整个系统 的节能、 安全输送设计提供指导。 l 实验 系统设计 本实验系统 如图 1 。 压差计 6制作方法为 : 用 两 个 长 度 为 7 4 0 mm, 外 径 为 8 mm 的 透 明 玻 璃 收稿 日期 : 作 者简 介; 基 金 项 目: 1盛 i 霞答 器 ; 2一 流 量 控 制 网 ; 3一 流 量 计 ; 4一 真 空 界 面 阀 i 5 一 压力损失测试 管段; 6 一液柱式压差计 ; 7 -单 向阀 ; 8 一手动 气 阀; 9 一透 明聚氯 乙烯钢 丝增 强软管 ; 1 0 一收集罐 ; 1 1 一储
6、能 罐 ; 1 2 -水环式真空泵 ; 1 3 一截 至阀 图 1 真空排水 系统 实验装置示意 管 , 靠近 竖立 固定 在 一个 夹板 上 , 玻 璃管 上下都 接 软 管 , 构 成 U 形 管 , 在 两玻 璃 管之 问 标定 刻度 。 实 验前 , U 形管内装一定 量清水 , 两 玻璃管上端水 位相等。 摩擦压力损失测试管段 5采用 p 2 5 1 5 mm , p 3 2 1 5 mm , 4 O 2 O mm , 5 O 2 0 m m 四种 不 同管 径 的优 质 UP VC建 筑排 水 管 , 其 水平 测 试 管段 AB长 为 2 6 m, 并 通 过 橡 胶 软 管 接
7、 头 从 管段两 端 引 出一 根 塑 料 软 管 , 各 接通 两 玻璃 管 上 端 。水 源 到 压 损 测 试 管 段 起 点 A 的 距 离 为 4 1 8 0 mm, 在 一 定 程序 上 能 起 到稳 定 液相 流 速 的 作用 。 透 明 的 P VC钢 丝增 强 软管 9不仅 可用 作连 接 管 , 而且保 证 良好 的可视 化效 果 , 便 于观察 两相 流 的流 动特征 。单 向 阀 7 能 避 免管 中液 体进 入塑 料 管 , 以减少 压差 测 量误 差 。 真 空站用 来 接 收污水 和提供真空 动力 , 其 包括真空泵 1 0 、 真空储能罐 l l 、 污水收集罐
8、 1 2 、 P I C可编程电控柜和管网等。 2 0 0 7 0 9 0 5修 回 日期 :2 0 0 7 1 0 1 6 段 金明 ( 1 9 7 4一) , 男 湖南祁 阳人 , 讲 师, 博士 , 研究 方向为 给排 水技术 与设备 以及 生活废 物资源化 d u a n j i n min g j mu e dt 1 12 11 国家“ 十五” 科技攻关项 目( 2 0 0 2 B A8 0 6 B 0 4 一 O l B ) ; 集美大学科研基金项 目( c Q2 0 0 7 0 1 2 ) 。 维普资讯 第 1 期 段金明等 :真空排水 管网压力损失模 型研 究及应用 首 先关
9、闭截 止 阀 1 3 , 启 动真 空 泵 1 2 , 观 测 收 集 罐 上方 的真 空表 刻 度 , 待 系统 真 空 度 达 到 0 0 3 MP a后 , 打 开 截止 阀 1 3 , 利 用 空 气 抽 吸力 清 除 测 试 管段 5内的 沉积 物 ; 然后 调 节 流 量控 制 阀 2 , 待 真 空 表刻 度 达 到 0 O 4 0 0 6 MP a后 , 关 闭真 空 泵 电源 开关 接 着 , 按住 手 动 气 阀 8 , 使 真 空 界 面 阀 4打 开 , 盛 液 容器 1中污 水 在 管 道 内外 压 力差 作用 下 , 进 入 管 道 , 待 管 内流 动状 态 稳
10、定 后 , 记 录 压差计 6的测 量值 ( 其 视为 摩擦 压 损值 ) 。 当一组 试验 完成后 改 变实验 参 数 ( 包括 污 水 流量 、 管 径 ) , 重复 上述过 程 。 实 验 条 件 如 下 : 系 统 真 空 度 0 0 4 0 0 6 MP a , 温 度 1 5 C, 管道 输送 的污 水 的 密 度 和 动 力 粘度 分 别 为 JD 【 =1 1 O 0 k g m。 , 一 1 1 3 x 1 O N s m , 空 气 的 密 度 和 动 力 粘 度 分 别 为 一1 2 k g m。 、 一1 8 x 1 0 N s m 。污水 流量 范 围 : 0 3 0
11、 I s 2 真空排水 管路两相 流摩 擦 损失通 用计 算关 系式 一 般 一个 真空 排水 系统 所 服 务 的用 户终 端众 多 , 各终 端 的 真 空界 面 阀开 启 时 刻 可认 为 是 随机 的 。 从一段 连续 时 间来 看 , 各 提 升段 低 洼处 的污水 在空气作用下不断被激励 , 后 续的污水 和气体推 送 前方 的 污水 , 经过 多 次 提 升 , 逐 步 、 间 歇地 进 入 污水 收集罐 _ 7 。 在整 个 管线 上 , 空气 和 污水 可认 为 是 两股 分开 流 动的 流体 。将 污 水组 成 的“ 伪 流体 ” 均 质混 合物 近似 看作 液相 , 基
12、于气 液两相流分相模 型 理论 推导 真空 排水 管路 摩 擦 阻力 损 失计 算 关 系 式 。引入 I o c k h a r t Ma r t i n e l l i 两个无 因次参数 : 一 ( d pf d z ) T P ( d f d z ) ; ( 1 ) X 一 ( d pt d z ) L ( d f d z) G , ( 2 ) 上式 中 , ( d p t d z ) ,( d p d z ) c分 别 为 分 液 相 、 分 气 相 的摩擦 压 降梯 度 , 且 广 I一 1 2 ( ) 2 I Q ( j l D ; ( 3 ) 广 一 、 1 2 ( p f )
13、G 一 2 I Q G ( D ) l D , ( 4 ) 上 式 中, D 为 圆 管 内 直 径 ( m) ; 为 管 长 ( m) ; Q 和 Qc分 别 为 液 相 和气 相 的 体 积 流 量 ( m。 s ) ; p 和 分 别 为 液相 和气 相 的 密 度 ( k g m。 ) ; 2 L和 扎 分 别 为 液 相 、 气 相 的摩 阻 系数 , 且 按 B l a s i u s公 式 计算 8 : 凡 一 o 0 7 9 ( 1 ( I , G ) , ( 5 ) 、 式 中 , t 和 分 别为 液相 、 气相 的 动力 粘 度 系 数 29 ( P a S ) ; 和
14、。 分 别 为 分 液 相 速 度 、 分 气 相 速 度 ( m s ) 。 令 气 液 比 一Q。 Q 由式 ( 2 ) ( 5 ) 得 X 2 一 “ 。 n “ 。 再 根 据 C h i s h o l m 的拟 合关 系式 : Q 一1 +2 o x+ 1 x , ( 7 ) 与 式 ( 1 ) 联 立 , 得 管路 两相 流 摩擦水 头损 失 : hi , 一 , ( 8) 式 中 , 系数 为 o 2 4 1 P 3 1 1 +( 【 ) 1 ( P c ) 一 号 7 ; 十 2 0 ( ) ( P 。 p c ) ( g ) 。 ( 9 ) 现将 前 面实验 条 件所 述
15、的污水 密 度 和动力 粘 度值 , 空 气 的密度 和 动力 粘度值 , 以及 气液 比值 , 一 7 c 等数 据代 人 式 ( 9 ) 中 , 即可 得 到 真 空排 水 管 路 摩擦 压 力损 失关 系 式 : 5 21X 1 。 ( 1 O) 3 模 型验证 现 利 用 传 统 计 算 模 式一 哈 森一 威 廉 ( Ha z e n Wi l l i a ms ) 公 式 和 本 文 所 建 立 的 摩 擦 损 失 计 算 关 系式 ( 1 O ) 分 别对 两 种不 同 管径 的测 试 管 段 AB的 摩擦损失进行计算 并将其计算结果与实验结果 进行 比较 , 对 比曲线 如 图
16、 2 。在此 值 得 说 明 的是 Ha z e n Wi l l i a ms 公 式 为0 Q Ls 一 ( b ) 管道内径 D一3 6 mr l l 图 2计 算 结 果 与 实验 结 果 对 比 曲线 维普资讯 3 O 华 中 科技 大学学报 ( 城 市科学版 ) 2 0 0 8年 h i z 2 ) 丽 丽一 Z , ( 1 1) 式 中 , C 为 海 曾一 威廉 粗 糙 系数 , 其 与管 道 材 料 有 关 , 对 于塑 料管 , C =1 5 0 。 从 图 2可 见 , 与 Ha z e n wi 1 1 i a ms公式 计 算 结 果相 比 , 本 文公 式 ( 1
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