基于PIV與FLUENT的排水管道流態(tài)研究.pdf

1、排水管道作為排水系統(tǒng)的重要組成部分，常認為只用于輸送污水，功能較為單一。實質上，排水管道內壁附著生長有菌群復雜的生物膜，生物膜對流經其中的污水具有一定降解作用。因此，排水管道本質上具備作為污水處理反應器的潛質。為了利用排水管道的污水處理功能，探索排水管道內生物膜的形成和生長機理尤為重要。在綜合分析影響生物膜形成和生長眾多因素的基礎上，認為流態(tài)成為了排水管道污水生物膜降解系統(tǒng)最重要的影響因素之一。為此，論文展開了排水管道流態(tài)研究，主要研究

2、內容包括：1）搭建了PIV測試平臺，進行了排水管道系統(tǒng)流態(tài)測試；2）進行了排水管道流態(tài)模擬，掌握了不同充滿度和不同坡度的管道流態(tài)信息；3）采用響應曲面法分析了管壁剪切應力，建立了剪切應力影響因素數學模型。研究表明：
　　1）PIV測試系統(tǒng)主要由攝像機、光源和圖像處理軟件組成。示蹤粒子采用聚苯乙烯通過研磨而成，直徑為0.103mm-0.2mm。利用 PIV測試平臺對管徑為100mm，坡度為0.005，充滿度分別為0.5、0.4、0.

3、3、0.2的排水管道流態(tài)進行了測試，獲得了相應流場信息，具體分布規(guī)律是同一垂直斷面管道流速隨水深增大逐漸增加，同一水深處管道流速沿程增加，同一坡度不同充滿度下，同一位置處流速隨充滿度的增大而增加。
　　2）利用 FLUENT軟件模擬了與 PIV實驗相同工況下的排水管道流態(tài)，模擬結果與 PIV測試結果進行了對比，流速最大誤差為5.67％，表明模擬結果具有較高可信度。進一步對0.003、0,005、0.008、0.01和0.03坡度與

4、0.5、0.4、0.3、0.2和0.1充滿度下排水管道流態(tài)進行了模擬，研究結果表明，排水管道內流速隨坡度和充滿度的增大而增大。管道垂向斷面，流速最大區(qū)域處于流體中間斷面而不是水面。管道流速沿程有一定增加，這與管道長度和粗糙度有關。
　　3）模擬結果發(fā)現管道內空氣與水流運動方向相反，且平均速度大于水流速度大，在充滿度為0.5，坡度為0.005的條件下，水相平均速度為0.81m/s，氣相平均流速為1.86m/s，這對研究管道內有害氣體

5、的產生釋放過程和復氧過程具有一定應用價值。
　　4）模擬結果顯示管壁剪切應力隨管道坡度和充滿度的增大而增大，從最小坡度最小充滿度工況下的0.431Pa增加至最大坡度最大充滿度工況下的5.825Pa。采用響應曲面法研究了初始流速、坡度、初始充滿度對管壁剪切應力的影響，影響程度大小依次為：初始流速＞坡度＞初始充滿度。
　　5）采用響應曲面法建立了管壁剪切應力數學模型并對其進行了驗證，模型相關系數為0.9972，結果驗證最大誤差為