真空排水系统建模及仿真的研究

论文摘要

真空排水系统是一种具有潜在应用前景的生态污水收集系统。目前,国内外其基础理论及设计方法还停留在定性分析及经验计算的层次上。随着该系统的广泛应用,系统规模的扩大及对能耗问题的关心,其输送机理,设计方法及运行特性等研究还有待进一步深入。本文对真空排水系统终端、管网及真空站的建模及仿真方法进行了深入的研究,实现了系统层次的动态模拟,分析了系统能耗。给出了一种能细致刻画真空排水管道气-液两相流动的双流体模型及其求解方法。以真空排水系统中常见的情景为例,在更精细的尺度上实现了真空管道非恒定流动的数值模拟。以期为该系统的优化设计、运行与管理服务。建立了真空排水系统各子系统的数学模型：1.建立了真空排水系统的两种用户终端的数学模型。2.给出了基于连续性方程,一维气-液两相流稳态压降方程及节点压头方程的真空排水管网的水力模型。导出了动提升压降系数的物理意义,并利用Woldesemayat和Ghajar的Dix修正式给出了优化的计算方法。回顾及比较了四种理论或半经验摩擦压降计算方法（修正的海曾-威廉法、Averil-Heinke法,杜克勒Ⅱ法和段金明法）。为弥补现有方法不足,介绍了一种基于真空管道实验的实验二相系数方法。3.提出了真空站的数学模型,其包含三个控制方程,分别是气相质量方程、液相质量方程和容积方程。以系统的数学模型为基础,首次为真空排水系统定义了一个一维等温气-液两相流的物理域,并在MatlabSimulinkSimscape软件环境下建立了其仿真模块库。以一个典型室外真空排水系统为例建立了其计算机模型,实现了系统层次的仿真,得到了各集水单元处的污水流量、管网水力特性、真空站的运行参数等重要信息。该平台特别适用于今后复杂的大规模真空排水系统。首次在理论上解答了在真空排水系统运行中备受关注的能耗问题。提出并讨论了三种基于不同假设的,用于描述真空排水系统能耗的数学模型（压力耦合-间歇模型、非耦合-间歇模型、非耦合-稳态模型）,对室外系统的单位能耗,室内系统的单次能耗做了预测和比较。其中,压力耦合-间歇模型最接近真实系统,可用于设备的选型和控制策略的优化,但其求解需要在前述计算机平台上进行Monte Carlo模拟。提出了一种能更精细刻画真空管道内气-液两相非恒定流动的,基于等温假设的四方程双流体模型。给出了真空排水管道数值模拟常见边界条件的处理方法。通过将水平管道数值模拟的稳态压降与现有理论和半经验计算结果对比,在一定程度上验证了本研究双流体模型数值模拟的可靠性和精确性。首次对真空排水系统中几种典型的应用情境作了数值实验,其中包括：室外锯齿形管道铺设、室内U形提升管道铺设、室内系统中的上排式立管系统。观察到了气液两相在管内的非恒定流动过程,并讨论了其形成机理。本研究工作是真空排水系统研究由定性分析到定量计算的一个积极探索,以期为该系统的优化设计、运行与管理提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关技术的研究现状及分析
• 1.3 论文的组织结构
• 2 真空排水终端及真空站的数学模型
• 2.1 概述
• 2.2 真空集水单元的数学模型
• 2.3 真空便器的数学模型
• 2.4 真空站的数学模型
• 2.5 本章小结
• 3 真空排水管网的数学模型
• 3.1 管网结构的矩阵表示
• 3.2 节点连续性方程
• 3.3 管段压降方程
• 3.4 节点压头方程
• 3.5 本章小结
• 4 真空排水系统的运行仿真
• 4.1 仿真方法概述
• 4.2 真空排水系统的仿真模型
• 4.3 真空排水系统的仿真实验
• 4.4 本章小结
• 5 真空排水系统的能耗分析
• 5.1 系统能耗概述
• 5.2 非耦合-稳态能耗模型
• 5.3 非耦合-间歇能耗模型
• 5.4 压力耦合-间歇能耗模型
• 5.5 能耗模型的应用
• 5.6 本章小结
• 6 真空排水管道的双流体模型
• 6.1 双流体模型的基本方程
• 6.2 闭合定律
• 6.3 流型及其转换
• 6.4 双流体模型的求解
• 6.5 本章小结
• 7 真空排水管道的数值模拟
• 7.1 真空排水管道流动的研究重点
• 7.2 边界条件及处理方法
• 7.3 水平管道的模拟
• 7.4 锯齿形管道的模拟
• 7.5 U形提升管道的模拟
• 7.6 室内集水单元的模拟
• 7.7 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 作者在攻读博士学位期间发表的论文和成果
• 附录2 真空排水系统仿真模块库
• 附录3 真空排水系统仿真实验