Air flow in sanitary sewer conduits due to wastewater drag: a computational fluid dynamics approach

摘要

An accurate calculation of air flow in sanitary sewer conduits is a key input for improved understanding of odorous-compound emissions, efficient design of ventilation systems, and the occurrence of sewer fabric corrosion. In this study, the driving force of wastewater drag is considered and conceptually viewed as a Couette flow. Both turbulent and laminar flow regimes are modeled. In the turbulent flow regime, the Reynolds-averaged-Navier-Stokes equations are closed with an anisotropic turbulence model that consists of two sub-models: a generalized eddy viscosity mixing length model for the turbulent shear stresses and a semi-empirical model for the turbulent normal stresses. Solution of the resulting set of parabolic equations is implemented in a Gelerkin finite element framework. The predictive performances of the models are in agreement with longitudinal velocity measurements reported in the literature. Although the secondary flows computed are within a few percentage of the main flow velocity, the mean flow field is affected considerably by the secondary currents in every case. The present study suggests that models currently in use for estimating ventilation rates in sewer drains generally over predict the turbulent streamwise mean velocity. Key words: air flow, computational fluid dynamics, finite element method, mixing length, sewer conduit, turbulence-driven secondary currents, ventilation model, wastewater drag.Un calcul précis de l'écoulement d'air dans les conduits sanitaires est un intrant clé pour mieux comprendre les émissions de composés odorants, la conception efficace des systèmes de ventilation et l'apparition de corrosion de la structure des égouts. Dans cette étude, la force à la base de la résistance à l'écoulement des eaux usées est considérée comme étant un écoulement de Couette et considérée théoriquement ainsi. Les régimes d'écoulement turbulent et laminaire sont modélisés. Dans le régime turbulent, les équations de type RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) sont complétées par un modèle de turbulence anisotrope qui comporte deux sous-modèles : un modèle généralisé de longueur de mélange à viscosité tourbillonnaire pour les tensions de Reynolds et un modèle semi-empirique pour les tensions normales turbulentes. La solution de l'ensemble d'équations paraboliques obtenues est implantée dans la méthode de Gelerkin aux éléments finis. Les rendements prédictifs des modèles sont conformes aux mesures des vitesses longitudinales rapportées dans la littérature. Bien que les débits secondaires calculés soient à l'intérieur d'une plage de quelques points de pourcentage de la vitesse du débit principal, le champ de courant moyen est considérablement touché par les courants secondaires dans chaque cas. La présente étude suggère que les modèles actuellement utilisés pour estimer les taux de renouvellement d'air dans les conduites d'égout prédisent des valeurs de vélocité moyenne turbulente dans la direction d'écoulement généralement supérieures aux observations. Mots clés : écoulement d'air, dynamique des fluides numérique, méthode des éléments finis, longueur de mélange, conduite d'égout, courants secondaires causés par les remous, modèle de ventilation, résistance à l'écoulement des eaux usées.[Traduit par la Rédaction]