（市政工程专业论文）城市排水管道内污水两相流临界流速研究.pdf

中文摘要 摘要 城市排水管道现行设计中，一般以自清流速作为管道设计最小流速来控制， 最小流速往往仅根据污水管、雨水管或合流管在相应管径条件下提出一固定值， 然后按单相均匀流动来处理。这种处理方法只有在固体杂质颗粒情况比较简单、 含量很低的前提下，才是可以接受的近似。从各地排水管道的运行历史及近年来 的研究成果来看，这种处理方法以及基于经验将固定的最小流速作为设计中控制 流速的设计标准没有坚实的理论依据，存在着一定的缺陷实际排水管道中泥沙 及固体杂质颗粒的浓度、粒径、密度、粘性等特性的存在使得管道内污水的流动 特性与清水相比发生了改变。本文将污水视为固液两相流，在现有两相流的研究 成果特别是费祥俊教授在能量理论方面的研究成果的基础上，从能量守恒的角度 建立了满流和非满流污水管道的水力坡度计算模型，进而利用最小二乘法对污水 中固体杂质颗粒处于不同移动状态的平均流速u 和水力坡度j 的数据组进行拟合， 并根据两相流中j u 关系曲线的最低点所对应的流速为临界流速的理论，即管底 开始出现沉积物的临界情况，推导出满流与非满流状态下排水管道的临界流速( 即 最小设计流速) 计算模型。 通过本文所建立的水力坡度计算模型和临界流速计算模型，并结合典型城市 污水水质资料进行计算分析，得出以下结论： ( 1 ) 满流排水管道的临界流速( 即最小设计流速) 与管径和污水中固体杂质 颗粒的特性有一定的关系，临界流速随着管径、颗粒尺寸、密度的增大呈不同程 度的增大。 ( 2 ) 非满流排水管道的临界流速与污水中固体颗粒尺寸、密度等特性以及管 径、管材糙率等因素有密切的关系，临界流速随着管径、颗粒粒径和颗粒密度的 增大呈不同程度的增大，管道的输水能力随着管材糙率的减小而增大因此，在 相同的管径以及相同水质条件下，相同的设计坡度所对应的流速值，粗糙系数小 的管道要明显高于粗糙系数大的管道，也就是说粗糙系数小的管道的排污能力要 优于粗糙系数大的管道。 ( 3 ) 根据本文建立的非满流管道j u 关系曲线，可以得出污水的临界流速 ( 最小设计流速) ，并且可以直接查出不同管材、不同管径的排水管道临界流速( 最 小设计流速) 所对应的设计坡度即最小设计坡度，克服了传统设计中根据经验来 具体规定的弱点。 关键词：污水，固液两相流，管道，水力坡度，临界流速 英文摘要 a b s t r a c t i nc u r r e n td e s i g no fc i t yd r a i n a g es y s t e m , s e l f - c l e a nv e l o c i t yi s n o r m a l l y c o n t r o l l e da st h em i n i m a ld e s i g nv a l u ea n dt h i sv a l u eg e n e r a l l yi so b t a i n e dt h r o u g h b r i n g i n gf o r w a r df i r s t l y af i x e dv a l u eb a s e do nw a s t e w a t e rp i p e ，r a i n w a t e rp i p eo r c o m b i n a t i o no ft h e ma n dt h e nt r e a t i n gi ta sas i n g l ea n dc v c l lp h a s e h o w e v e r , t h i s m e t h o do n l yc a nb er e c e i v e dw h e ns o l i di m p u r i t yi ss i m p l ea n di t sc o n c e n t r a t i o ni st o o l o w s u c ha n dh o m o t h e t i ct r e a t m e n tm e t h o dh a v en os o l i dt h e o r yt os u p p o r ta n dh a v e s e m el i m i t a t i o nf r o mt h ep o i mo f v i e wo f r e a lo p e r a t i o na n dr e c e n ts t u d y a c t u a l l y , i ti s n o tp u r ec l e a nw a t e rm o r e o v e rs o m ei m p u r i t i e ss u c ha sb e d l o e di nt h ed r a l l l a g es y s t e m a n db e d l o a dm a k e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n tf r o mp u r ew a t e ra tt h ec o n c e n t r a t i o n , s i z e , d e n s i t y , v i s c o s i t ya n ds oo i li nt h i sp a p e r , w a s t e w a t e ri nd r a i n a g ep i p es y s t e m w o u l db el o o k e da st w o - p h a s el i q u i d b a s e do nr e c e n ts t u d i e so ft w o - p h a s el i q u i d ， e s p e c i a l l y0 1 1t h ee n e r g ys t u d yo fp r o f e s s o rf e ix i a n g j u n , c a l c u l a t i o n a lm o d e lo f h y d r a u l i cg r a d i e n ta b o u t f u l la n dn o n - f u r lf l o w i n g ，w a a t e w a t e rp i p es y s t e mh a sb e e n e s t a b l i s h e df r o me n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h e ns e r i e so fa v e r a g ev e l o c i t yua n d h y d r a u l i cg r a d i e n tja r cf i t t e db yl e a s ts q u a r em e t h o d a r e rt h a t , c r i t i c a lv e l o c i t y ( n a m e l yt h el o w e s td e s i g nv e l o c i t y ) i np i p ec a l lb ed e d u c t e dt h r o u g ht h el o w e s td a t a p o i n to nt h et w o - p h a s el i q u i df i g u r eo fi - u ，b e c a u s ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nv a l u eo f t h i sp o 洫ti s j u s tt h ec r i t i c a lv e l o c i t ya tw h i c hs a n dc o u l ds t a r tt os e t t l e t h r o u g ht h ee s t a b l i s h e dc a l c u l a t i o n a lm o d e l so fh y d r a u l i cg r a d i e n ta n dc r i t i c a l v e l o c i t y , t h e s ec o n c l u s i o n sc a l lb el e dt o ： ( 1 ) c r i t i c a lv e l o c i t yi nf u l lf l o w i n gp i p e l i n ei sr e l a t i v ew i t hp i p ed i a m e t e ra n d c h a r a c t e r i s t i c so fs o l i di m p u r i t i e s t h i sv e l o c i t yw i i ii n c r e a s ew i t ht h ei n c r e m e n t so f p i p ed i a m e t e r , s i z ea n dd e n s i t y ( 2 ) c r i t i c a lv e l o c i t yi nn o n - f l o w i n gp i p e l i n ei sc l o s e l yr e l a t i v ew i t hs o l i ds i z e 。 d e n s i t y , p i p ed i a m e t e ra n ds oo n t h i sv e l o c i t yi n c r e a s e st od i f f e r e n te x t e n t sw i t ht h e i n c r e m e n t so fd i a m e t e r , s i z ea n dd e m i 罐, a n df l u xc a p a c i t yo fp i p ei n c r e a s e sw i t ht h e d e c r e a s eo fc o a r s e n e s sr a t e w h e nd e s i g n e dv a l u ei sa b o v et h el o w e s td e s i g nv e l o c i t y ( c r i t i c a lv e l o c i t y ) ，v e l o c i t yi np i p eo fl o wc o a l s e r l e s $ w i l lb eh i g h e rt h a nt h a ti np i p e o fh i g hc o a r s e n e s s , t h a ti st os a y , s e w a g ee l i m i n a t i o nc a p a c i t yo fp l a s t i cp i p ei sm o r e f a v o r a b l et h a nc o n c r e t eo n e ( 3 ) t h r o u g ht h ei - uf i g u r eo f n o n - f u l lf l o w i n gp i p e l i n e c r i t i c a lv e l o c i t y ( 1 0 w e s t d e s i g nv e l o c i t y ) c a nb eo b t a i n e da n dt h e nl o w e s td e s i g ng r a d i e n ta l s oc a nb ef o u n d h i 重庆大学硕士学位论文 t h r o u g hi tu n d e rd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dd i a m e t e r s , w h i c hc o n q u e r st h ec o n v e n t i o n a l d i s a d v a n t a g eo f l o w e s tv e l o c i t yd e t e r m i n a t i o nb ye x p e r i e n c e k e yw o r d s ：w a s t e w a t e r , s o l i d - f l u i dt w o - p h a s ef l o w , p i p e l i n e ， h y d r a u l i cg r a d i e n t , c r i t i c a lv e l o c i t y i v 主要符号 q 流量 ，流速 r _ 水力半径 i 水力坡度 a 面积 g _ i 射才系数 f d 水流拖曳力 d 一固体颗粒半径 p 清水密度 见一固体颗粒密度 6 一固体颗粒与清水的密度比 ，清水容重 万一固体颗粒的容重 v o 青水体积 v r 固体颗粒体积 v 一水体积 q _ 清水体积流量 q s 一固体颗粒的体积流量 q 一水体积流量 c d 一阻力系数 c l _ 上举力系数 作用于颗粒的流速 r e 蝴粒雷诺数 r e 瑚粒雷诺兹数 y 运动粘滞系数 硒清水动力粘滞系数 污水动力粘滞系数 ，g 一固体颗粒所受重力 j 口一固体颗粒所受浮力 j 口液体对固体颗粒的抵抗阻力 s v 一体积浓度 主要符号 口，斯万逊形状系数 v i 卜堆积界限速度 r _ 堆积速度 v i 广- 稃游界限速度 v l r - 均质流界限速度 l k 临界流速 p _ 重量比固体浓度 f i _ 修正福氏数 以清水阻力损失 厶两相流阻力损失 正一固体颗粒存在的附加阻力损失 l 卜蝙界水深 b 渠宽 - 冰流切力 ，d a n c y 系数 z 湿周 t - - 固体颗粒所需推力 e i 水流中固体颗粒悬浮所需能量 e 2 悬浮功 一管道摩擦系数 鸬一固体颗粒与管壁摩擦系数 c 卡门常数 o o 清水阻力系数 。一液相阻力系数 u l _ 一临界淤积流速 v 口一阻力最小流速 v 口一临界不淤流速 污水固体颗粒沉降速度 q 一固体颗粒沉降速度 q 一固体颗粒沉降终速度 c w 一重量浓度 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 布、 学位论文作者签名：遘歹嗽签字日期：护d 占年，月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) ， 学位论文作者签名：黝 导师签名： 学位论文作者签名：埠卅 导师签名： 蓐廊霆 签字日期：2 。口多年，f 月上扩日签字目期：州年，月刀日 1 绪论 1 绪论 水是人类赖于生存和从事生产不可缺少的资源，随着社会的迅猛发展，人口 的不断增长，工农业生产的迅速发展，我国的水污染问题日益严重，缺水的形势 也越来越严峻，我国人均水资源占有量只有2 2 0 0 m 3 ，不到世界平均水平的l 4 【l 】。 在6 6 9 个建制城市中，有4 0 0 多个城市缺水，1 1 0 个城市严重缺水水资源的紧缺己 严重制约了城市的发展和生活水平的提高【1 1 1 1 城市排水管道系统 1 1 1 城市排水系统的概述 水是人类生存的基本要求，人类大多起源于江河附近。在人类的生活和生产 中，使用着大量的水，水在使用的过程中受到了不同程度的污染，改变了原有的 化学成分和物理性质，这些水称作污水或废水污水也包括雨水及冰雪融化水。 按照来源的不同，污水可分为生活污水、工业废水和被污染的雨水三类。 1 ) 生活污水是指人们日常生活中用过的水，包括从厕所，浴室、厨房、食 堂和洗衣房等处排出的水。它来自住宅、公共场所、机关、学校、医院、商店以 及工厂中的生活间部分。生活污水是属于污染的废水，含有较多的有机物以及病 原微生物，这类污水需要经过处理后才能排入水体、灌溉农田、或再利用。 2 ) 工业废水是指在工业生产中所排出的废水，来自车间和矿场。由于各种 工厂的生产类别、工艺过程、使用的原材料以及用水成分的不同，使工业废水的 水质变化很大。 工业废水按照污染程度的不同，可分为：生产废水和生产污水两类。 a ) 生产废水是指在使用过程中受到轻度玷污或水温稍有增高的水。如机器冷 却水便属于这一类，通常经某些处理后即可在生产中重复使用，或直接排放水体。 b ) 生产污水是指在使用过程中受到较严重污染的水。这类水多半具有危害性， 都需经适当处理后才能排放，或在生产中使用。 3 ) 被污染的雨水一般指初期雨水，但初降雨时所形成的雨水径流会挟带大 气地面和屋面上的各种污染物质，使其受到污染，其污染程度很高，所以形成初 雨时径流的雨水是污染最严重的部分，应予以控制。 城市污水是指排入城镇污水排水系统的生活污水和工业废水。在合流制排水 系统中，还包括生产废水和截留的雨水。城市污水实际上是一种混合污水，其性 质变化很大，随着各种污水的混合比例和工业废水中污染物质的特性不同而异。 某些情况下可能是生活污水占多数，而在另一些情况下又可能是工业废水占多数。 这类污水需经过处理后才能排入水体、灌溉农田或再利用。 重庆大学硕士学位论文 城市排水工程是指城市生活污水、工业废水、大气降水( 含雪水) 径流和其 他弃水的收集、输送、净化、利用和排放。含污染物的生活污水和工业废水，通 称城市污水。城市污水一般通过城市排水管网输送到城市污水处理厂进行净化， 达到规定的水质标准后，再加以利用或排入水体。城市排水工程是保证城市地面 水排除，防治城市水污染，并使城市水资源保护得以受性循环的不可缺少的重要 基础设施。排水系统通常有管道系统( 或称排水管网) 和污水处理系统( 即污水 处理厂) 组成。排水管道系统担负着城市污废水的收集和输送的重要任务，污废 水输送的畅通与否将影响到污水处理的效率和城市的环境卫生。近年来，随着城 市建设的迅猛发展，各个城市对市政建设和环境治理日益重视，与之相配套的给 排水行业亦发展迅速。如果把给水工程称为城市动脉韵话，那么排水工程就是 城市的“静脉”。很难设想，现代文明城市能够离开排水工程而独立存在。排水工 程设施建设的好坏直接决定着城市的发展水平，影响着城市景观和卫生环境，影 响着城市的投资环境，甚至关系到城市的安全l l 】 1 1 2 国外城市排水管道系统发展( 建设) 状况 十九世纪中叶以后，随着产业革命后工业的发展和人口的集中，一些资本主 义国家的城市开始建造现代化排水管道系统。经过上百年的建设，目前英国的排 水管道普及率已达1 0 0 【”，德国的合流制和分流制并存的排水管道系统已经进行 了又一轮的改造完善。莫斯科的污水排放标准是欧洲最为严格的，主要因为其污 水排放量( 6 0 0 x 1 0 4 m 3 m ) 与其受纳水体莫斯科河流量相当【l 】莫斯科采用完全分 流制排水管道系统，经过上1 0 0 年的建设，莫斯科已建成长达7 0 0 0 k m 的排水管 道、1 4 0 多个污水泵站【2 】。国外先进国家不仅普及了排水管道系统，而且还在此 基础上进行了大量、有成效的改善措施和技术，优化了城市排水管道系统，不仅 减少了灾害和污染，还充分利用了雨水和处理达标后的中水，补充地下及地表水 资源。 1 1 3 国内城市排水管道系统发展( 建设) 状况 我国城市排水工程建设历史悠久，秦代已有用以排除城市雨水的管渠。历代 帝王的京都大多建造了较为完整的排水系统，但是解放前排水工程的发展是缓慢 的，城市排水设施很差，各大城市都没有完整的排水系统，仅有局部雨、污水合 流制管道。解放后，随着城市和工业建设的发展，城市排水管道系统才有了较大 发展，至此，我国许多城市才有了合流制排水管道系统，延续至今从八十年代 中后期开始，随着经济的复苏，分流制城市排水管道系统的建设突飞猛进，我国 许多大城市已形成了较为完善的现代化排水管道系统，排水管道的普及率已跃上 了更高一级台阶。“九五”期间，全国6 6 8 个城市中，全年排放污水量3 5 6 亿矗， 城市污水年处理量1 0 5 3 3 亿m 3 ，城市市政排水系统年受纳污水2 1 2 2 4 亿矗，城市污 2 l 绪论 水处理厂1 8 7 座，其中二级生化处理1 4 3 座，年处理污水3 4 3 3 - t z , m 3 ，污水处理率为 1 6 1 8 ，城市排水管道长度为1 2 5 9 4 3 k m ，城市排水管网普及率按服务面积计算为 6 4 8 左右，与发达工业国家相比差距较大，如伦敦、巴黎、莫斯科等的普及率为 1 0 0 ，东京9 7 ，原德意志联邦共和国为9 5 1 1 1 从比例关系分析，每增加处理l 万m = 妇污水量，需新建污水管道9 1l k m ；建设管道的投资约占整个绘排水总造价 的5 0 7 0 【l 】【3 】。 1 2 研究现状和意义 1 2 1 排水管道的研究现状 随着我国综合国力不断增强，城市交通、绿化、景观建设、环境等基础设施 的建设投资也不断增加，但是城市排水管网工程的投资力度低于城市的发展速度， 造成很多城市的排水管网超期服役，不仅排水能力低下，而且渗水和漏水情况严 重。我国的很多城市在降雨期间严重积水，给城市的交通和市民的正常生活带来不 便，部分城市的局部排水管网已经变为压力流，给日常养护工作造成困难。同时， 由于国家对环境保护工作的重视，全国各地正在建设或筹建城市污水处理厂。但 是，由于对城市排水系统理解的偏差和投资渠道等原因，部分污水处理厂建设单 位只注重污水处理项目，而忽视配套排水管网的建设，造成许多已经建成的城市 污水处理厂达不到设计处理能力，而又有大量的污水直接排放的尴尬局面。 我国大部分城市的排水系统都是既有合流制又有分流制的混合排水体制，修 建城市污水处理厂必须对排水流域内的排水管网系统进行彻底改造，才能保证该 流域的污水全部进入污水处理厂，配套管网建设的工作量很大近年来，我国在 城市排水方面的科学研究资金都集中在污水处理技术方面，在城市排水管网方面 的投入极少。 城市排水管道现行设计中，普遍将污水的流动按照一般液体( 单相) 的流动 规律来处理，并假定管道内污水流态为均匀流，与清水在明渠中的流动类似，采 用最小设计流速准则控制排水管道的淤积。但是，在实际排水工程中，排水管渠 中流动的雨水、污水或合流制混合污水都含有一定数量的杂质，雨水中无机颗粒 较多，污水中有机成分较多，其中比重小的飘浮在水面并随污水漂流，较重的分 布在水流断面并呈悬浮状态流动，最重的沿着管底移动或淤积在管壁上。因此， 将实际排水管道中的污水流按清水考虑，用一般水力学研究其流动状态是有一定 缺陷的并且排水管网中的雨、污水由支管流入干管，再由主干管排入水体或进 入污水处理厂，管渠系统由小到大，分布类似树枝状，管渠的流量也由小到大， 同时由于用户排水的随机性造成污水管网中的排水水量随机变化，污水管网中的 水流一般是非恒定非均匀澍”。 3 重庆大学硕士学位论文 污水管道在大多数情况下是按非满流设计的，这是由于：( 1 ) 管道内污水流 量时刻在变化，难于精确计算；地面的雨、雪水可能渗入污水管道。按非满流设 计可以提供备用容积。( 2 ) 污水中可能含有易燃易爆等有害气体，按非满流计算 有利于污水管道的通风( 3 ) 当管道埋设于地下水位以下时，必须考虑地下水渗 入污水管道这一因素。 目前在排水管道的水力计算中采用稳定均匀流的公式进行计算。其基本计算 公式有两个，一个是流量公式，一个是流速公式【l 】 流量公式为：q = d 流速公式为；p = c 僻科”= 盂2 7 0 ”2 ，疗 ，搿e 速( m s )r 水力半径( 过水断面面积与湿周的比值) ( m ) ，水力坡度( 等于水面坡度，也等于管底坡度)a _ 面积( m 2 ) i 汪流速系数或称谢才系数，一般按曼宁公式计算，即c = 最s ，栉 其中a 和r 均为管径d 和充满度h d 的函数，故上述两个公式可视为； q = z ( d ，而d ，d u = 五( 行，d ，h i d ，刀 从水力计算的基本公式可知，设计流量与设计流速及过水断面积有关，而流 速则是管道粗糙系数、水力半径和水力坡度的函数。为了保证污水管道的正常运 行，在 室外排水设计规范( g b j l 4 8 7 ) 中对设计充满度、设计流速、最小管径 和最小设计坡度等因素作了经验性的规定。其中设计流速是和设计流量、设计充 满度相对应的平均速度。污水在管道内流动缓慢时，污水中所含固体杂质颗粒可 能下沉，产生淤积；当污水流速增大时，可能对管道产生冲刷，甚至损坏管道。 为了防止管道中产生淤积或冲刷，设计流速不宣过小或过大，应在最大和最小设 计流速范围之内。 最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的流速。这一最低的限值与污水中 所含悬浮物的成分和粒度有关；与管道的水力半径，管壁的粗糙系数有关从实 际运行情况看，流速是防止管道中污水所含悬浮物沉淀的重要因素，但不是唯一 的因素，引起污水中悬浮物沉淀的决定性因素是充满度，即水深。一般小管道水 量变化大，水深变小时就易产生沉淀。大管道水量大、动量大，水深变化小，不 易产生沉淀。因此不需接管径的大小分别规定最小设计流速。根据国内污水管道 实际运行情况的观测数据并参考国外经验，污水管道的最小设计流速定为0 6 r r d s 。 含有金属、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大， 其值要根据试验或运行经验确划”。 最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材料有关，通常， 金属管道的最大设计流速为l o n g s ，非金属管道的最大设计流速为5 m s n 。 4 i 绪论 在具体的水力计算中，两个方程式有5 个未知数，因此先假定3 个求其它2 个的 数学计算都是极为复杂的。所以在设计中，为了简化计算常采用水力计算表。 1 2 2 两相流的研究现状 两相流是在流体系统中存在着两相或两组份( 液体一液体、液体一气体、液 体一固体颗粒、气体一固体颗粒) 间的动态相互作用的流动，两相之间有质量、 动量和热量的传递，同时相内可能伴随着化学反应。从自然界中的大气层尘埃、 云雾的运动，江河泥沙输运，血液运动到工业上的固体物料的管道输送、硫化床、 沸腾燃烧、核反应堆中的汽一水流动、石油产品中的运输和提炼等等无不属于两 相流理论的范畴。两相流动涉及的范围非常广泛，相应描述两相流动的理论也多 种多样，从对颗粒流中单颗粒运动的描述到高浓度颗粒流化床理论，甚至到颗粒 碰撞作用占优势的颗粒流和不动床的多孔介质理论等，无不都属于两相流理论范 畴。通过多年来国内外学者对两相流动各方面的研究，正逐步建立起完善的两相 流理论体系，由于两相流的复杂性，其理论也较多，但最基本的观点有两类：一 是宏观的连续介质理论，即把流体作为连续介质，把颗粒群当作拟流体或拟连续 介质，设其在空间上有连续的速度和温度分布，以及等价的运输性质( 粘性、扩 散等) 。二是微观的运动理论，即把流体作为连续介质而把颗粒群作为离散体系， 探讨颗粒动力学、颗粒轨道等。从两相流理论创立至今主要都采用宏观方法。宏 观的连续介质模型通常分为三类：( 1 ) 分流模型对于分层流和管道中环状流这 些有着较固定分界面的多相流，可与单相流一样把各相假定为连续介质。( 2 ) 两 流体模型。把两相流中的各相都分别假设为连续介质，它们同时充满整个流场， 这样一来，即使在时刻t 流场x 处k 相不存在，但在善处k 相的平均密度p 。o ，f ) 也不 可能为零。各相流动参数在相交界面上发生间断，通过相界面各相产生质量、动 量和热量传递。( 3 ) 扩散模型( 或称单流体模型) 。均流模型是它的特例，假定相 互作用着的两相或两组分构成了一种新的物质( 常被称作混合物) 且连续充满整 个流场。对混合物用一组混合流动参数描述，而每相的参数与混合参数之间用扩 散方程联系例 虽然宏观的连续介质模型是两相流研究的主体模型，它能够合理地描述流体 和颗粒的宏观运动特性，但它不能充分解释颗粒与颗粒之间的相互作用，更不能 描述颗粒运动的宏观特性。有时从微观方面进行分析更有必要，如对流化床、颗 粒床、颗粒流及粗颗粒的高浓度管道输送等方面的研究，单用连续介质模型是无 法精确知道颗粒间是怎样相互碰撞作用的，微观的运动模型有助于解决此类问题。 微观运动模型把单颗粒和分子作为考察对象，以b o l t z s n a n n 方程为基础，能很好 地描述个体颗粒运动和颗粒之间的相互作用的微观特性。这个方法类比自气体分 子运动论，一旦微观的颗粒速度分布函数已知，固液两相流的微观和宏观特性都 5 重庆大学硕士学位论文 可得到很好的认识。王光谦和倪晋仁曾在低浓度两相流研究中引入动理论，并建 议固相颗粒类比气体分子运动用b o l t z m a n n 方程 等+ q 善+ 只善0 0 , = 割 钟 。鼠 l 掰i 来描述。方程右边的反映颗粒碰撞影响的积分项。在低浓度固液两相流中，固体 碰撞影响较小，积分碰撞项通常被忽略。颗粒速度分布函数f = f ( o j ，薯，0 是在空 间坐标五和时间f 颗粒速度介于q 和q + d q 的颗粒数日，其中d q = d q 砒d 峨，q 是颗粒的随机速度。颗粒速度分布函数，能够很好地反映颗粒运动的特性1 4 s l n 。 固液两相流中，固体颗粒是多种多样的。种类繁杂，大小，形状、重度等物 性参数迥异的颗粒的存在，改变了管道液体流动原有的流动特性，使得管道内部 的固液两相混合物呈现复杂多变的流动状态此外，分散相颗粒的体积浓度、颗 粒的粒径分布、两相之间的速度滑移等，都可能在很宽的范围内变化，导致流动 结构和流动形态迥异，而描述两相物质运动的参量比单相流几乎增加了一倍，由 此可见，固液两相流远比单相流复杂，因而对两相流的研究既要避免数学模型的 过于复杂繁琐，又要抓住主要矛盾，就必须对不同类型的流动采用不同的处理方 法。目前较多采用的理论模型有：单流体模型、双流体模型、颗粒运动的l a g r a n g e 描述方法等 4 1 5 1 1 6 】。 ( 1 ) 单流体模型又称为无滑移模型或混合物模型，这种模型假定相互作用 着的两相或两组分构成了一种新的介质，且充满整个流场，把固液两相流作为单 相流处理，不考虑流体相与流体之间的滑移，认为颗粒温度等于流体温度，颗粒 的扩散与流体组分的扩撒相同。单流体模型相对简单，理论上需要的的结构关系 少，可以用较为成熟的处理单相流体的数值解法来处理两相流。但由于单流体模 型没有考虑颗粒相对于流体的速度及温度的滑移，较难处理好两相耦合问题，与 实际偏差较大。该模型一般只应用于颗粒尺寸足够小，颗粒浓度足够大，与液相 混合较均匀、固液两相的流速差不大。即动力学性质比较相似的固液两相流中 用单流体模型处理固液两相流时，湍流模型一般采用零方程模型，对于圆管内充 分发展的流动，零方程模型的混合长度可k 咐i k u r a d e s ( 尼古拉茨) 公式计算。 ( 2 ) 双流体模型又称连续介质模型，该模型把颗粒群作为与流体相互渗透 的拟流体或拟连续介质，他们同时充满整个流场。固相和液相一样在流场中具有 压力、速度、温度的分布，而且也具有颗粒相粘性和扩散性等特性。双流体模型 理论上较为完整，能充分考虑各相运动状况及各相之间的相互作用，对于单流体 模型不能解决的存在较大速度滑移的非平衡流动，可以给出有意义的解，缺点在 于无法描述固体颗粒之间的相互作用情况。该模型适用于颗粒较大、与液相混合 不均匀、两相速度滑移明显的流动。 ( 3 ) 颗粒运动的l a g r a n g e 描述方法单流体模型和双流体模型均是在欧拉坐 6 1 绪论 标系中处理颗粒相问题离散的颗粒还可以用l a n g r a n g e 方法加以描述分析固相 颗粒在连续的液体相中所受的各种力，如重力、阻力、压力梯度、虚拟质量力、 b a s s e t 力等，建立颗粒运动的l a g r a n g e 方程，数值求解得到颗粒的运动信息。 l a g r a n g e 方程描述方法的特点是着眼于颗粒，适宜分析颗粒运动轨迹、颗粒对固 体壁面的碰撞磨损效应等。 1 2 3 研究的意义 在现有关于管道、明渠污水流动的众多研究中，普遍忽略了污水中固相对流 动结构，诸如流速、含沙量垂线分布的影响，而是直接沿用对于单相水流才严格 成立的方法把污水固液两相流作为伪单相流来描述其流动特性，鲜有将污水当作 固液两相流来进行研究。现行的排水管道设计标准一般也以自清流速作为管道设 计最小流速来控制，最小流速往往仅根据污水管、雨水管或合流管分别提出一固 定值( 国内污水管道取0 6 m s ，污水、雨水合流管道取0 7 5 m s ) 后，按单相均匀 流动来处理【i 】在排水管道中固体杂质颗粒情况比较简单、含量很低的条件下， 利用这种处理方法是合适的，但是在实际的城市排水管道中固体杂质颗粒情况比 较复杂，含量也较高，所以在实际排水管道中采用这种方法处理是存在一定缺陷 的。近年来，管道的淤积现象也日益突出，我国大部分城市为防止排水管道的淤 堵，避免影响雨季正常排水，有关部门平均每年要对城市排水管道清淤2 3 次， 大型管道一般2 3 年清淤一次，有些中小管道甚至每月就要清淤l 2 次。即使 如此，在夏季大暴雨期间仍然常引起城区大面积积水【刀因此，在排水管道设计 中，污水中的泥沙及其它杂质颗粒问题必须作为一个重要的方面来考虑，因为污 水中泥沙及杂质颗粒的浓度、粒径、密度、粘性等特性的存在已经使得管道内流 体的运动特性相对于清水来说发生了改变，同时，近年来随着新材料的开发与推 广应用，越来越多的城市排水系统应用了p v c 管、内衬管等，这些新型材料的糙 率值一般远小于传统的钢筋混凝土管，这不仅减小了水头损失、增加了排水能力， 同时也增加了管道的输沙能力，而且从管道泥沙运动的最新研究成果来看，管道 的形状和尺寸也对输沙能力有较大的影响。所以，现行的处理方法以及基于经验 将固定的最小设计流速作为设计中的控制流速的设计标准没有坚实的理论依据， 具有一定的缺陷。在具体的设计过程中，从运行的角度看，应使污水中所挟带的 泥沙及其它固体杂质颗粒不会在管道内淤积( 或存在有限淤积) 以致影响排水管 道水力性能、减小设计排水能力；从技术角度看，应使排水管道在满足不淤条件 和排水能力的前提下，具有最佳管径、坡度和水头损失，降低工程造价和运行费 用。本课题首先将管道内污水视为固液两相流，从能量守恒的角度建立了满流和 非满流排水管道的水力坡度计算模型，进而利用最b - - 乘法对污水中固体杂质颗 粒处于不同移动状态的平均流速u 和水力坡度j 的数据组进行拟合，并根据两相 7 重庆大学硕士学位论文 流中j u 关系曲线的最低点所对应的流速为临界流速的理论，即相当于管底开始 出现沉积物的临界情况，推导出满流与非满流状态下排水管道的临界流速( 即最 小设计流速) 。并结合城市排水管道自身的性质与特点，从两相流角度对管道内污 水流动特性和临界流速进行研究和分析。 1 3 研究的目的和内容 1 3 1 本文研究的目的 在排水管道最小设计流速研究中引入固液两相流研究方法。 用固液两相流理论分析研究排水管道的阻力损失和临界流速。 对污水流动的研究考虑其中固体杂质颗粒和管材等因素的影响，使污水临 界流速的研究更加符合实际。 提出排水管道设计中确定最小设计流速和最小设计坡度的新理论方法。 1 3 2 本文研究的主要内容 研究排水管道内污水固液两相流动特性 满流管道和罪满流管道中污水两相流水力坡度计算模型的建立。 满流管道和非满流管道中污水两相流临界流速计算模型的建立。 通过所建立的临界流速计算模型并结合污水水质参数计算最小设计流速， 并对最小设计流速的影响因素进行分析。 将通过本文方法求所得的最小设计流速和最小设计坡度与相同条件下的经 验值作比较分析。 8 2 污水固液两相流基本特性 2 污水固液两相流基本特性 2 1 污水的性质 城市污水管道系统在分流制排水系统中接纳的是城市污水，在合流制排水系 统中还包括雨水，在半分流制排水系统中包括的则是初期雨水同时，城市污水 中包括生活污水和种类复杂的工业废水城市污水中。生活污水与生产污水所占 的比例视城市不同而异，其污染指标、污染物质的组成、形态及含量也因城市不 同而异。 按化学性质，污水中污染物可以分为无机性污染物质和有机性污染物质硼1 。 无机性污染物质：无机性污染物质包括地球表面覆盖物( 砂、土壤、粉尘等) ： 无机盐、酸、碱、矿物油类；无机元素( 包括重金属) 及氮、磷等营养盐无机 性污染物质根据是否直接对人类健康造成危害又可分为：无直接毒害作用无机性 污染物质和有直接毒害作用无机性污染物质两类。有无毒害作用是相对而言的： 大多数污染质，在低浓度时对人体无害，但达到一定浓度后就会产生毒害作用。 有机性污染物质：有机性污染物质可以分为植物性有机污染物质和动物性有 机污染物质两类。生活污水中，植物性有机物质，如果壳、蔬菜及各种植物碎片 等，其主要化学成分是碳( c ) 动物性有机物质包括人畜粪便、动物组织碎块等， 其化学成分以氮( n ) 为主。工业废水特别是化学工业废水中的有机物，多为人工 合成的有机物质，种类极为复杂。有机污染物质根据是否容易被生物降解，可分 为易于生物降解的有机污染物和难于生物降解的有机污染物。生活污水中，有机 物和无机物的含量之比约为5 5 ：4 5 。城市污水中有机物和无机物含量之比，视工 业废水所占的比例及工业企业性质的不同而异，变化幅度非常大。 按物理形态，污水中的污染物质可分为： 悬浮固体呈颗粒状的污染物质颗粒粒径在0 1 1 o “m 之间的称为细分散性 悬浮固体( 包括乳化物质和油珠) 。 胶体污染物质( 含高分子) 颗粒粒径在o 1 o 0 0 1 1 j j n 之间。胶体物质性质 极其稳定，一般都带有正电荷或负电荷。 溶解性污染物质( 含低分子和离子物质)颗粒粒径小于0 0 0 l i m a 。这类污 染物物质与水形成单一的相。 排水管渠中流动的雨水、污水或合流制混合污水都含有一定数量的杂质。雨 水中无机颗粒较多，污水中有机成分较多。相对密度小的物质漂浮在水面并随水 漂流，较重的分布在水流断面上并呈悬浮状态流动。油类物质有可能沾附于管渠 壁上而影响其粗糙度。在流速小于自净流速时，大的固体颗粒会沉淀于管渠底部， 9 重庆大学硕士学位论文 并可能造成淤积，管渠中还有可能进入杂物而造成堵塞口】。 但是在实际的城市污水管道中，除了上述物理形态的污染物外，还存在相当 一部分的密度较水大的泥沙等固体杂质颗粒，并且在污水输送过程中充当着“载 体”的重要功能，其表面对污染物有着吸附作用，因此泥沙具有类似于粘性的作 用。当粘性泥沙淤积后，要从粘性泥沙床上起动泥沙较难，但试验结果也表明， 粘性泥沙一旦起动，粘性底床结构被破坏，则粘性泥沙颗粒的运动与非粘性泥沙 的运动相似。管道中的泥沙颗粒在水流速度逐渐增大的情况下，将呈现出固定床、 推移质、悬移质三种状态。 所以，确切的讲，污水为多相流体，其中包括液( t k ) 相、固相、非水液相 和气相。但由于固相在非水相中所占的比例很高，故可将污水近似当作固液两相 流来处理。 固液混合的污水可近似的看作浆体，它的物理性质与液相和固体杂质颗粒的 物理性质有关，这些性质对浆体的运动规律起着重要的作用。 2 ，2 污水流中国体颗粒的运动 2 2 1 污水流中固体颗粒的受力 当水流流过有固体颗粒存在的固定床面或可动床面时，床面颗粒将承受各种 作用力，这种作用力与抗拒的反作用力间的相互关系，将促使固体颗粒进入不同 形式的运动状态。 水流拖曳力与上举力吼 水流经过床面颗粒时，水流给予颗粒的作用力，也就是颗粒给予水流的阻力。 这种阻力一部分是由于颗粒表面粗糙而引起的摩擦力，又称肤面阻力。另一部分 是由于颗粒顶部与水流发生分离，在颗粒背水面产生涡辊，因而在颗粒前后产生 压力差而形成的形状阻力水流对颗粒的拖曳力即以上各部分阻力的合力。如果 颗粒没有运动，根据牛顿定律，水的拖曳力可表示为： r ：c 。4 卫生 ( 2 1 ) “。 2 式中：a 为水流方向颗粒的投影面积，对于球形颗粒彳；d 2 ；p 为水的密度； 珥 1 1 0 为作用于颗粒的流速；c d 为阻力系数，它与颗粒周围的绕流流态有关，也与肤 面阻力和形状阻力的大小有关，其具体数值又随确定1 1 0 的方法及颗粒在床面位置 的不同而异，这方面虽有不少研究，由于各家试验条件不同，所得结果出入很大。 根据对于突出在床面上的球形颗粒的试验结果得出阻力系数c d 与颗粒雷诺数 r e 。= 兰丝有关系。 1 0 2 污水固液两相流基本特性 水流中的固体颗粒在水流推动作用下起动时，颗粒顶部和底部的流速不同， 前者为水流运动速度，后者则为颗粒间渗透水的流动速度，比水流的速度要小得 多。根据伯努力定律，顶部流速高，压力小，底部流速低压力高，这样所造成的 压力差产生上举力，方向向上。上举力的一般表达式与拖曳力相似，为： f f2 只= c a 兰= l ( 2 2 ) “ 。 2 式中：c l 为上举力系数，其他符号同前对于上举力系数，应该也存在与雷诺数 的相应关系，但与颗粒在床面所处的位置有关，迄今尚未见到有系统的试验资料。 根据前苏联学者的试验结果：c l c d 趋近于常数0 2 5 重力 床面固体颗粒最重要的作用力为固体颗粒自身的重力，在扣除其在水中的浮 力以后，又称为有效重力为： w = 等- y ) ( 2 3 ) 0 其作用力方向始终是垂向的。 污水中的固体颗粒除了所受水流的拖曳力和上举力外，还存在有颗粒与颗粒 之间的粒问离散力和粘性颗粒的粘结力，这些力在污水中固体颗粒所受力中占得 比例很小，在本文的计算中忽略。 2 2 2 污水流中固体颗粒的运动形