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(rèn)為只用于輸送污水，功能較為單一。實(shí)質(zhì)上，排水管道內(nèi)壁附著生長(zhǎng)有菌群復(fù)雜的生物膜，生物膜對(duì)流經(jīng)其中的污水具有一定降解作用。因此，排水管道本質(zhì)上具備作為污水處理反應(yīng)器的潛質(zhì)。為了利用排水管道的污水處理功能，探索排水管道內(nèi)生物膜的形成和生長(zhǎng)機(jī)理尤為重要。在綜合分析影響生物膜形成和生長(zhǎng)眾多因素的基礎(chǔ)上，認(rèn)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(nèi)容包括：1）搭建了PIV測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了排水管道系統(tǒng)流態(tài)測(cè)試；2）進(jìn)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(yīng)曲面法分析了管壁剪切應(yīng)力，建立了剪切應(yīng)力影響因素?cái)?shù)學(xué)模型。研究表明：
　　1）PIV測(cè)試系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、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(cè)試平臺(tái)對(duì)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(jìn)行了測(cè)試，獲得了相應(yīng)流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)相同工況下的排水管道流態(tài)，模擬結(jié)果與 PIV測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，流速最大誤差為5.67％，表明模擬結(jié)果具有較高可信度。進(jìn)一步對(duì)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(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明，排水管道內(nèi)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(zhǎng)度和粗糙度有關(guān)。
　　3）模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)空氣與水流運(yùn)動(dòng)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(duì)研究管道內(nèi)有害氣體

5、的產(chǎn)生釋放過程和復(fù)氧過程具有一定應(yīng)用價(jià)值。
　　4）模擬結(jié)果顯示管壁剪切應(yīng)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(yīng)曲面法研究了初始流速、坡度、初始充滿度對(duì)管壁剪切應(yīng)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(yīng)曲面法建立了管壁剪切應(yīng)力數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，模型相關(guān)系數(shù)為0.9972，結(jié)果驗(yàn)證最大誤差為