氣水脈沖清洗給水管道兩相流過程研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、給水管網(wǎng)是重要的市政基礎設施，是給水系統(tǒng)重要的組成部分。經(jīng)過長年運行后的管道易產(chǎn)生腐蝕，沿管道內(nèi)壁會逐漸形成不規(guī)則的生長環(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合而成的混合體。生長環(huán)不僅會造成水質(zhì)的二次污染而且會使管道過水斷面減小，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)壁上的生長環(huán)，成為困擾全國各大供水企業(yè)的一大難題，是必須要徹底解決的現(xiàn)實問題。氣水脈沖管道清洗法是一種操作簡單、適應性強、

2、清洗效果較好、對環(huán)境無污染的生長環(huán)去除方法。但是，這種方法的應用現(xiàn)在還處在經(jīng)驗階段，對其清洗理論和清洗規(guī)律的研究很少。本文利用試驗和數(shù)值模擬兩種手段，揭示了氣水脈沖管道清洗過程中兩相流的流動特性規(guī)律，分析了多個因素對管道壁面剪切力的影響。
　　采用壓力檢測的方法對清洗過程中的壓降進行測定，將試驗結果與氣液兩相流均相流模型相結合，尋求氣水脈沖管道清洗過程的壓降變化規(guī)律。管道中的水流充入高壓氣體時，管道內(nèi)的壓降比不充氣時增大了幾十倍；

3、每個清洗周期，管道內(nèi)的壓降具有相同的變化。通過設定不同的試驗條件，揭示了供氣壓力、供水流量等參數(shù)對管內(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式關系。在大量試驗基礎上，對清洗過程中氣液兩相流流型及其轉換進行分析，確定起主要清洗作用的流型為彈狀流。
　　基于對水平管內(nèi)的氣液兩相流的理論研究，建立了氣水脈沖管道清洗過

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

5、湍流強度增大，水的紊動情況加劇，壁面剪切力增大，壁面剪切力沿管道長度的變化趨勢與管道內(nèi)氣水兩相流流態(tài)變化相符。
　　通過數(shù)值模擬的方法計算不同管徑、管道傾斜度、管內(nèi)腐蝕情況、進氣噴嘴尺寸和位置時管內(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，管徑的變化對流體與壁面間的剪切力值和沿管道的分布情況影響不大；當管徑大于50mm時，管徑對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。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，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。進氣噴嘴位置相同時，尺寸小于0.5D（D為管徑）的進氣噴嘴，管道內(nèi)流體與管壁的剪切力較小，進氣噴嘴尺寸大于等于0.5D時，進氣噴嘴尺寸的改變對壁面剪切力的影響不大。隨著進氣時間的增長，進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)，進氣噴嘴在管道上部的管內(nèi)流體與