氣水脈沖清洗給水管道兩相流過(guò)程研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、給水管網(wǎng)是重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，是給水系統(tǒng)重要的組成部分。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年運(yùn)行后的管道易產(chǎn)生腐蝕，沿管道內(nèi)壁會(huì)逐漸形成不規(guī)則的生長(zhǎng)環(huán)，它是給水管道內(nèi)壁由沉淀物、銹蝕物、黏垢及生物膜相互結(jié)合而成的混合體。生長(zhǎng)環(huán)不僅會(huì)造成水質(zhì)的二次污染而且會(huì)使管道過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，阻力系數(shù)增加，直接影響管道的通水能力和供水壓力。如何有效去除給水管道內(nèi)壁上的生長(zhǎng)環(huán)，成為困擾全國(guó)各大供水企業(yè)的一大難題，是必須要徹底解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。氣水脈沖管道清洗法是一種操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、

2、清洗效果較好、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的生長(zhǎng)環(huán)去除方法。但是，這種方法的應(yīng)用現(xiàn)在還處在經(jīng)驗(yàn)階段，對(duì)其清洗理論和清洗規(guī)律的研究很少。本文利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種手段，揭示了氣水脈沖管道清洗過(guò)程中兩相流的流動(dòng)特性規(guī)律，分析了多個(gè)因素對(duì)管道壁面剪切力的影響。
　　采用壓力檢測(cè)的方法對(duì)清洗過(guò)程中的壓降進(jìn)行測(cè)定，將試驗(yàn)結(jié)果與氣液兩相流均相流模型相結(jié)合，尋求氣水脈沖管道清洗過(guò)程的壓降變化規(guī)律。管道中的水流充入高壓氣體時(shí)，管道內(nèi)的壓降比不充氣時(shí)增大了幾十倍；

3、每個(gè)清洗周期，管道內(nèi)的壓降具有相同的變化。通過(guò)設(shè)定不同的試驗(yàn)條件，揭示了供氣壓力、供水流量等參數(shù)對(duì)管內(nèi)兩相流壓降變化的影響。在供水流量和脈沖頻率一定的情況下，管內(nèi)兩相流壓降與供氣壓力呈線性關(guān)系；在供氣壓力和脈沖頻率一定的情況下，管內(nèi)兩相流壓降與供水流量呈三次多項(xiàng)式關(guān)系。在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)清洗過(guò)程中氣液兩相流流型及其轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，確定起主要清洗作用的流型為彈狀流。
　　基于對(duì)水平管內(nèi)的氣液兩相流的理論研究，建立了氣水脈沖管道清洗過(guò)

4、程的數(shù)學(xué)模型，采用VOF(volume of fluid)方法進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的合理性，分別分析清洗過(guò)程中直管段和彎管段中流型、動(dòng)壓、湍流強(qiáng)度、壁面切應(yīng)力等流動(dòng)特性，為氣水脈沖法清除管壁生長(zhǎng)環(huán)的研究提供理論依據(jù)。氣液兩相流形成彈狀流的過(guò)程中，水平管道內(nèi)管道長(zhǎng)度l>100D、彎管道內(nèi) l>15D時(shí)彈單元趨于穩(wěn)定。往管道水流中充入高壓氣體以后，管道內(nèi)的動(dòng)壓比不充氣時(shí)明顯增大，并且隨著充氣時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)增大。管道內(nèi)的

5、湍流強(qiáng)度增大，水的紊動(dòng)情況加劇，壁面剪切力增大，壁面剪切力沿管道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)與管道內(nèi)氣水兩相流流態(tài)變化相符。
　　通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算不同管徑、管道傾斜度、管內(nèi)腐蝕情況、進(jìn)氣噴嘴尺寸和位置時(shí)管內(nèi)流體與管道壁面的剪切力。條件相同的情況下，管徑小于50mm時(shí)，管徑的變化對(duì)流體與壁面間的剪切力值和沿管道的分布情況影響不大；當(dāng)管徑大于50mm時(shí)，管徑對(duì)壁面剪切力的影響較大，隨著管徑的增大剪切力呈先增大后減小的趨勢(shì)。向下傾斜管道和水平管

6、的壁面剪切力大于向上傾斜管道的值。粗糙管的壁面剪切力大于光滑管。粗糙度較小時(shí)，隨著粗糙度的增大，壁面剪切力增大。粗糙度大于0.3cm，隨著粗糙度的增大剪切力變化不大。進(jìn)氣噴嘴位置相同時(shí)，尺寸小于0.5D（D為管徑）的進(jìn)氣噴嘴，管道內(nèi)流體與管壁的剪切力較小，進(jìn)氣噴嘴尺寸大于等于0.5D時(shí)，進(jìn)氣噴嘴尺寸的改變對(duì)壁面剪切力的影響不大。隨著進(jìn)氣時(shí)間的增長(zhǎng)，進(jìn)氣位置不同的管道內(nèi)上壁面剪切力值相差不大。在大部分管段內(nèi)，進(jìn)氣噴嘴在管道上部的管內(nèi)流體與