污水处理厂尾水压力输送瞬态数值模拟及应用方案

摘要

水锤现象造成的危害直接影响着压力输送管道的安全性。近年来，我国污水厂不断兴建，长距离尾水压力排放成为集中处理污水的主要排放方式，由于开停泵造成的水锤问题随之而来。污水厂尾水工程与水厂取水工程虽然都采用压力管道，而且排放目标为自由边界，理论上发生水锤事故的概率小于给水管网;但是由于之前有曝气过程的存在，尾水中含气量普遍大于自来水。气体的存在会对水锤造成多方面的影响。传统的水锤解决方案是否适用于这种特殊情况，需要进行进一步研究。
　　 本文利用一维软件Flowmaster以及三维软件Fluent对实际尾水压力输送工程进行瞬态数值模拟，总结各种常见工况下管道压力的变化，并通过设置不同空气阀的直径、布置形式以及入水含气量模拟计算，分析探讨了不同情况下的空穴大小、水锤压力。
　　 模拟结果表明，停泵对无空气阀的系统造成的冲击最大。一台正常运行，另一台开停对有空气阀的系统造成的冲击最大;同时运行台数越多，一台开停对管道造成的冲击越小，而变频无论在任何条件下对管道造成的冲击是最小的。当含气量为2‰时上凸型管段产生的空穴最大，即弥合水锤最高;随着含气量的增加，气体的析出对水锤有一定的缓冲作用，减小水锤压力;但是气体的析出会造成截留气团的形成，水流对截留气团的冲击反而会增加水锤压力。含气水锤中含气量与现实不同工况水锤压力关系需要进行多方面的计算综合确定。
　　 本文同时提出了关于该工程实例的空气阀布置的优化及整体应用方案。研究方法可以作为尾水压力管道数值模拟的参考方法进行改进，从而应用于更多工程的数值模拟。研究结果为实际工程设计提供了有益的参考依据和技术支持，将进一步提高污水厂尾水压力管道设计水平。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 本研究的目的和意义

1．4 主要研究内容和技术路线

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 论文技术路线

1．5 论文创新点

第2章 水锤计算方法及原理

2．1 水锤的基本微分方程

2．2 特征线方程

2．3 汽化现象及气体对水锤的影响

2．3．1 汽化现象的产生和危害

2．3．2 水中含气对压力波传播速度的影响

2．4 Flowmaster简介

2．5 Flowmaster计算原理概述

2．5．1 管道线性化

2．5．2 线性化阻抗损失系数的确定

2．5．3 管网系统线性方程组推导

2．6 管道模型的选择

第3章 空气阀对瞬态过程的影响的模拟

3．1 空气阀的作用及其数学模型

3．1．1 空气阀的作用

3．1．2 空气阀的边界条件

3．2 模型的建立

3．2．1 实际工程简介

3．2．2 尾水输送工程的Flowmaster模型及其简化

3．2．3 瞬态模拟工况介绍

3．3 模型无空气阀时各种工况模拟结果

3．4 模型布置空气阀后时各种工况模拟结果

3．4．1 空气阀直径的合理选择

3．4．2 空气阀的合理布置

3．4．3 布置空气阀后各种工况模拟结果

3．5 工程案例中现有空气阀设置的评价

3．6 模型采用不同水锤波速模拟结果

3．7 本章小结

第4章 气体对瞬态过程影响的模拟

4．1 计算流体力学(CFD)概述

4．2 前处理软件GAMBIT

4．3 Fluent6．2软件简介

4．3．1 基本方程

4．3．2 离散格式

4．3．3 湍流模型

4．3．4 多相流模型

4．4 模型的建立

4．4．1 几何模型的建立

4．4．2 网格的划分

4．4．3 边界条件的设置

4．5 求解条件的设置

4．5．1 控制参数的设置

4．5．2 空穴模型的设置

4．6 含气量对瞬态过程影响的模拟结果

4．6．1 上凸型管道瞬态过程模拟

4．6．2 含气量对上凸型管道中空穴的影响

4．6．3 下凹型管道中瞬态过程模拟

4．6．4 含气量对下凹型管道中空穴的影响

4．7 截留气团对瞬态过程影响的模拟结果

4．7．1 冲击截留气团的概念

4．7．2 冲击截留气团对管道的影响

4．8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢