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‰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。 【关键词】：Fluent Flowmaster 尾水管道 含气水锤 空气阀 截留气团
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU992.22
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 引言11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 本研究的目的和意义13-14
• 1.4 主要研究内容和技术路线14-15
• 1.4.1 论文研究内容14-15
• 1.4.2 论文技术路线15
• 1.5 论文创新点15-17
• 第2章 水锤计算方法及原理17-27
• 2.1 水锤的基本微分方程17-18
• 2.2 特征线方程18-20
• 2.3 汽化现象及气体对水锤的影响20-21
• 2.3.1 汽化现象的产生和危害20
• 2.3.2 水中含气对压力波传播速度的影响20-21
• 2.4 FLOWMASTER 简介21-22
• 2.5 FLOWMASTER 计算原理概述22-25
• 2.5.1 管道线性化22
• 2.5.2 线性化阻抗损失系数的确定22-23
• 2.5.3 管网系统线性方程组推导23-25
• 2.6 管道模型的选择25-27
• 第3章 空气阀对瞬态过程的影响的模拟27-53
• 3.1 空气阀的作用及其数学模型27-28
• 3.1.1 空气阀的作用27
• 3.1.2 空气阀的边界条件27-28
• 3.2 模型的建立28-32
• 3.2.1 实际工程简介28-29
• 3.2.2 尾水输送工程的 Flowmaster 模型及其简化29-32
• 3.2.3 瞬态模拟工况介绍32
• 3.3 模型无空气阀时各种工况模拟结果32-38
• 3.4 模型布置空气阀后时各种工况模拟结果38-47
• 3.4.1 空气阀直径的合理选择39-41
• 3.4.2 空气阀的合理布置41-42
• 3.4.3 布置空气阀后各种工况模拟结果42-47
• 3.5 工程案例中现有空气阀设置的评价47-49
• 3.6 模型采用不同水锤波速模拟结果49-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 气体对瞬态过程影响的模拟53-75
• 4.1 计算流体力学（CFD）概述53-54
• 4.2 前处理软件 GAMBIT54
• 4.3 FLUENT6.2 软件简介54-58
• 4.3.1 基本方程55
• 4.3.2 离散格式55-56
• 4.3.3 湍流模型56-57
• 4.3.3.1 大涡数值模拟（LES）56
• 4.3.3.2 雷诺平均模拟（RANS）56-57
• 4.3.4 多相流模型57-58
• 4.3.4.1 DPM 模型57
• 4.3.4.2 VOF 模型57
• 4.3.4.3 Mixture 模型57
• 4.3.4.4 Eulerian 模型57-58
• 4.4 模型的建立58-59
• 4.4.1 几何模型的建立58-59
• 4.4.2 网格的划分59
• 4.4.3 边界条件的设置59
• 4.5 求解条件的设置59-63
• 4.5.1 控制参数的设置59-60
• 4.5.2 空穴模型的设置60-63
• 4.5.2.1 水汽质量分数和水汽交换60-61
• 4.5.2.2 湍流引起的压力波动61
• 4.5.2.3 不可压缩气体的影响61-62
• 4.5.2.4 对于收敛稳定性的控制62-63
• 4.6 含气量对瞬态过程影响的模拟结果63-72
• 4.6.1 上凸型管道瞬态过程模拟63-66
• 4.6.2 含气量对上凸型管道中空穴的影响66-68
• 4.6.3 下凹型管道中瞬态过程模拟68-70
• 4.6.4 含气量对下凹型管道中空穴的影响70-72
• 4.7 截留气团对瞬态过程影响的模拟结果72-74
• 4.7.1 冲击截留气团的概念72-73
• 4.7.2 冲击截留气团对管道的影响73-74
• 4.8 本章小结74-75
• 结论与展望75-77
• 参考文献77-80
• 致谢80

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