（市政工程专业论文）给水管道气压脉冲法清洗试验与数值模拟.pdf

v】lr，11 i ，矿 w a t e rs u p p l yn e t w o r k f l u s h i n ge x p e r i m e n tw i t h b a r o m e t r i cp u l s em e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uh a i x i n g s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f w a n gt o n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 导下，独立进行研究工 对论文的研究做出重 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢铷2 螗 2 9 ，年f 月仙 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢玉b 7 仑毛 别帷名也奶 、 7 序 o 护牛 阳9 日 | 乞一o o 年占月乡日 要 ，净化后的水经过错综复杂的地下管网，达到 用户终端。一般给水厂出水水质都能达到国家规定的生活饮用水卫生标准，但通过给水 管网送至用户时，水在给水管网中停留一段时间，在此期间会受n - 次污染。管网中的 “生长环”是造成二次污染的重要原因，清除“生长环”有利于提高供水水质和管道通水能 力。对几种管道清洗方法对比得出，气压脉冲法是一种非常好的管道冲洗方法。提高气 压脉冲法的冲洗效率，对减少管网水质的二次污染有重要的理论和实际意义。 “生长环”是多种无机物、有机物、微生物的混合物。生长环的形成机制复杂，既 受到物理沉淀、管道电化学腐蚀、化学稳定性、生物稳定性的影响，对金属管而言，也 受到铁细菌、硫酸盐还原菌的腐蚀作用。“生长环”不仅影响给水管网水质，而且随着 管道管龄的增长，“生长环”逐渐加厚，内壁粗糙，凹凸不平，增大了管道阻力系数， 缩小了过水断面面积，从而直接影响管道的通水能力、供水水压，增加了供水能耗及漏 耗。 通过自行设计搭建的试验平台，对气压脉冲管道冲洗法的脉冲规律进行了研究。试 验结果表明，确定供气压力和供水流量一定的情况下，保持停气时间不变，充气时间变 化，初始流速、压力迅速增大，后期增速缓慢，且在充气时间为5 s 的时候，流速、压 力达到极大值。保持充气时间不变，随着停气时间的增长，管内的流速、压力呈线性增 大趋势，管道内水流紊动加剧，冲洗效果增强；供气压力一定的情况下，改变供水流量， 得到供水流量与管道中水流流速、压力之间呈线性关系；供水流量一定的情况下，改变 供气压力，得到供气压力与管道中水流流速、压力之间也呈线性关系。 对实验管道进行气液两相数值模拟研究。针对实验管段，分别建立入口直管和弯管 的网格模型。利用非稳态分离求解方法，对入口直管处气、水两相流进行数值模拟，在 0 0 0 0 5 s 、0 0 0 1 0 s 、0 0 0 1 5 s 和0 0 0 2 0 s 时显示实时结果。对气、水两相流的流型进行分 析，研究得出在一定边界条件下，实验管段会形成“弹状流”，分析了“弹状流”的能 量转化过程、尾部涡流现象及其对“生长环”的去除作用。利用稳态求解器计算弯管流 场，分析弯管内外侧所受压力，及管内流速的分布情况，研究证明弯管对“生长环”去 除有一定影响。 关键词：给水管网，生长环，管道清洗，气压脉冲法，数值模拟 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fw a t e rs u p p l ys y s t e m s p u r i f i e d w a t e rg o e st h r o u g ht h ei n t r i c a t en e t w o r ko fu n d e r g r o u n dp i p e st ou s e r s g e n e r a lw a t e rt r e a t e d b yp l a n t sc a nm e e tt h ed r i n k i n gw a t e r h e a l t hs t a n d a r d s b u ts e n tt ot h eu s e rt h r o u g ht h ew a t e r s u p p l yn e t w o r k ，t h ew a t e rh a sb e e ns t a y e di nt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kf o rap e r i o do ft i m e d u r i n gt h i sp e r i o dw a t e rw i l lb es u b j e c t e dt o t h es e c o n d a r yp o l l u t i o n i np i p en e t w o r k s “g r o w t hr i n g ”i sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oc a u s es e c o n d a r yp o l l u t i o n ，s oc l e a r i n gt h e ”g r o w t h r i n g s ”w i l lh e l pi m p r o v ew a t e rq u a l i t ya n dt h ec a p a c i t yo fp i p e sc a r r y i n gw a t e r c o m p a r i s o n o fs e v e r a lm e t h o d so fc l e a n i n gp i p e s ，b a r o m e t r i cp u l s ef l u s h i n gi sav e r yg o o dm e t h o d i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ff l u s h i n go fb a r o m e t r i cp u l s em e t h o d ，i th a s t h ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e d u c es e c o n d a r yp o l l u t i o ni nw a t e rs u p p l yn e t w o r k ”g r o w t hr i n g ”i sam i x t u r ew h i c hc o n s i s t so fv a r i e t yo fi n o r g a n i cm a t t e r , o r g a n i cm a t t e r , a n dm i c r o b e t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h eg r o w t hr i n gi sc o m p l e x ，n o to n l ye f f e c t so f p h y s i c a l l yp r e c i p i t a t i o n ，p i p e l i n ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n ，c h e m i c a ls t a b i l i t y , a n db i o l o g i c a l s t a b i l i t y , i nt e r m so ft h em e t a lp i p e ，b u ta l s oc o r r o s i o nb yi r o nb a c t e r i a ，s u l f a t e r e d u c i n g b a c t e r i a g r o w t ht i n g sa f f e c tt h ew a t e rq u a l i t y , a n dw i t ht h eg r o w t ho fp i p ea g e ，t h i c k e n i n g a n di n c r e a s i n gr o u g h n e s so fw a l l ，s oi n c r e a s i n gp i p er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ，r e d u c i n gt h ec r o s s s e c t i o n a r e a ，d i r e c t l ya f f e c t i n gt h ec a p a c i t yo ft h ep i p e l i n et r a n s m i s s i o na n dh e a d ，a n d i n c r e a s i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dl e a k a g ec o n s u m p t i o n b yd e s i g n e da n db u i l tt h et e s tp l a t f o r m , t h ep u l s e sp a t t e mo fb a r o m e t r i cp u l s ef l u s h i n g m e t h o di ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti nac o n d i t i o no ft h eg a sp r e s s u r ea n dw a t e rf l o wa n d m a i n t a i n i n gt h et i m eo ff i l l i n ga i r , w i t hc h a n g e so ft h et i m eo fs t o p p i n ga i r , f l o wv e l o c i t ya n d h e a ds h a r p l yi n c r e a s ea tt h eb e g i n n i n g ，a n dl a t e rs t e a d i l yr i s e w h e nt h et i m eo ff i l l i n ga i ri s 5 s ，t h ev e l o c i t ya n dh e a dr e a c ht h em a x i m u m r e m a i n i n gu n c h a n g e dt i m eo ff i l l i n ga i r , w i t h t h es t o p p e dt i m eg r o w t h ，t h ev e l o c i t ya n dh e a di n c r e a s el i n e a r l yi nt h ep i p e s i nac e r t a i n v a l u eo fg a sp r e s s u r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e rf l o w , v e l o c i t ya n dh e a di nt h ep i p e sa r e l i n e a rr e l a t i o n i nac e r t a i nv a l u eo ft h ef l o w , w i t ht h ei n c r e a s eo fg a sp r e s s u r e ，v e l o c i t ya n d h e a di nt h ep i p e sa r ea l s ol i n e a rr e l a t i o n i i s t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft w o p h a s eg a s - l i q u i di nt h ee x p e r i m e n t a lp i p e f o rt h e e x p e r i m e n t a lp i p es e c t i o n s ，g r i dm o d e l so ft h ee n t r a n c es t r a i g h ts e c t i o na n dt h eb e n ds e c t i o n a r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y u s e ds e p a r a t en o n s t e a d ys o l u t i o nm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sp r o c e s s e do ft w o p h a s eg a s - l i q u i di ne n t r a n c es t r a i g h ts e c t i o n d i s p l a yr e a l t i m er e s u l t sa t 0 0 0 0 5 s ，0 0 010 s ，0 0 015 s ，a n d0 0 0 2 0 s t h ef l o wp a t t e mo ft w o - p h a s eg a s - l i q u i da n a l y z i n g ， a ”s l u gf l o w ”w i l lb ef o r m e di ns o m eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h et h e o r yo f ”s l u gf l o w ”e x p l a i n s t h ee n e r g yc o n v e r s i o np r o c e s s ，i t st a i lv o r t e xa n dt h ee f f e c to fr e m o v i n g ”g r o w t ht i n g s ” c a l c u l a t et h ef l o wf i e l do fb e n ds e c t i o nw i t hs t e a d y s t a t es o l v e r , a n da n a l y s i sp r e s s u r ea n d v e l o c i t yw i t h i nt h ep i p e e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h ee l b o w so fp i p e sa f f e c tt or e m o v e ”g r o w t hr i n g s ”a tac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ，g r o w t hr i n g ，p i p ef l u s h i n g ，b a r o m e t r i cp u l s em e t h o d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 课题研究目的及意义2 1 3 国内外相关领域研究现状及进展4 1 3 1 国内外供水管网清洗技术研究现状及进展4 1 3 2 水平管内气液两相流研究进展6 1 4 课题主要研究内容9 第二章给水管道生长环1 0 2 1 生长环的定义1 0 2 2 生长环的组成11 2 3 生长环的成因1 3 2 3 1 管道后沉淀1 4 2 3 2 电化学腐蚀1 4 2 3 3 微生物腐蚀1 5 2 4 生长环对供水的影响。l6 2 4 1 生长环对供水水质的影响1 6 2 4 2 生长环对通水能力的影响1 6 第三章气压脉冲管道冲洗试验装置及数据处理方法一17 3 1 试验装置1 7 3 1 1 循环供水系统1 7 3 1 2 空气供给系统l8 3 1 3 冲洗试验管段1 9 3 1 4 数据采集系统2 0 3 2 数据测量方法2 2 3 2 1 流量的测量2 2 3 2 2 压力的测量2 3 第四章气压脉冲管道冲洗试验2 5 4 1 流态2 5 4 1 1 层流和紊流2 5 4 1 2 流态判定标准2 6 4 2 管道阻力系数2 6 4 3 初始试验条件2 7 4 4 试验步骤2 7 4 5 试验结果及分析2 8 4 5 1 充气时问对冲洗的影响2 8 4 5 2 停气时间对冲洗的影响3 5 4 5 3 供水流量变化对冲洗的影响4 3 4 5 4 供气压力变化对冲洗的影响4 3 第五章气压脉冲管道冲洗过程数值模拟一4 6 5 1 实验管段气液两相流基本方程4 6 5 1 1 质量守恒方程( 连续性方程) 4 6 5 1 2 动量守恒方程4 7 5 。2 实验管段流体控制性方程4 7 5 2 1 湍流模型4 7 5 2 2 多相流模型4 8 5 2 3s i m p l e 算法4 9 5 3 模型建立与数值计算51 5 3 1 入口直管模型建立5l 5 3 2 弯管模型建立5 2 5 4 数值模拟中参数的选择5 3 5 4 1 入口直管模型参数5 3 5 4 2 弯管模型参数5 4 5 5 计算结果与分析5 4 5 5 1 入口直管模拟结果与分析5 4 5 5 2 弯管模拟结果与分析5 7 结论- 6 0 参考文献6 l 攻读学位期间取得的研究成果6 5 致谢6 6 v 长安大学硕 ：学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 安全可靠的饮用水供应对保障人民健康和经济发展具有重要意义，供水企业必须实 行从水源到用户的全过程管理，特别是管网供水阶段，保障最终用户得到安全优质的饮 用水。生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 对供水水质保障的系统性做了明确规定， 将“龙头水”作为水质评价点。饮用水供水过程中，水在净水厂经过严格处理后，各项水 质指标均已达到国家生活饮用卫生标准。饮用水经过输配水管网被输送到用户终端，庞 大的地下管网就如同一个巨大的反应器，水在管网中均有一定的停留时间，水在这样的 反应器内发生着复杂的物理、化学和生物变化，从而导致饮用水水质发生变化，造成管 网水质二次污染。美国科学家在2 0 0 3 年i w a 年会的报告中指出给水管网中出现的各种 水质问题将是对2 1 世纪世界各国供水行业的极大挑战。 长期以来，美国、加拿大、日本等发达国家对于出厂水在管网系统中产生的水质变 化给予了较大的关注，相对于发展中国家而言，他们在推进城市给水的深度处理、提高 出厂水水质的安全性和稳定性以及新材料、新设备、新技术的普及应用和管网运行、水 质监测、水质管理上有领先优势。尽管如此，发达国家对于管网系统二次污染情况和用 户饮用水水质的调查和研究仍丝毫不敢懈怠。 1 9 9 1 年1 月，拉丁美洲霍乱大流行，从一个国家蔓延至全洲，1 3 0 万人生病，1 2 万人死亡，其中重要的原因之一是氯的副产物不断形成，导致消毒能力削弱甚至完全丧 失，而使各种微生物在管网中滋生繁殖。据美国密尔沃基市的专题研究报告，1 9 9 1 年 流行病调查结果显示，在所有年龄组每人每年生肠道性疾病0 6 6 次，而肠道病的3 5 是由于饮水引起的。1 9 9 3 年，美国密尔沃基市供水系统发生隐孢子虫事故，使该市超 过1 5 0 万居民受污染，近百人死亡，其主要原因是管网中的水浊度偏高。美国自来水协 会对美国1 9 7 6 1 9 9 4 年间由于饮用水引起的流行病做了调查统计发现，在此期问美国发 生的4 1 4 次水质事故中，除少量原因不明外，8 4 1 的事故和9 9 2 的病人系微生物引 起的。美国近期发生的一系列疾病，很多是在经过完全处理( 过滤和消毒) ，水质完全 符合现行水质标准的情况下发生的。美国疾病预防及控制中心( c d c ) 估计，美国饮用 水微生物引起疾病而死亡的人数每年为9 0 0 1 0 0 0 人，而其中超过2 5 与水传播疾病和 供水管网的水质恶化有关。图1 1 是一家英国供水公司调查的民众对于自来水不满意几 第一章绪论 项调查指标，水质问题在其中占有相当大的l k 侈, j t l l 。 7 o 1 辨0 一n ow a t e rp r e s s u r ep r o b l e m s od i s c d o u r e dw a t e roo t h e ra e l l t h 蛐cp r o 疆翻n - i i i n e c o m p l a i n t 图1 1 英国某供水公司5 年内用户投诉原因统计 可见，无论哪一个发达国家，经水厂净化后的水在通过复杂庞大的管网系统输送到 用户时，仍有一部分有机物和游离氯结合形成致癌前体物三卤甲烷，另一方面成为微生 物再繁殖培养基，重新繁殖的微生物常年在输配水管道中形成生物膜，膜的老化和脱落 又引起水中色度、臭和味道的增加，并且这些管网上的微生物渐渐对消毒剂产生了抵抗 力，不易被杀灭，更增加了终端自来水微牛物的数量，从而不可避免地受到了二次污染。 我国地域广阔，人口众多，经济底子薄，发展起点低。这种国情从很大程度上决定 了我国大部分城市供水管网覆盖面积大，水的停留时间长，且很多城市不得不采用二次 加压方式供水，增加了二次污染发生的几率，致使二次污染面广且污染程度严重。根据 1 9 9 5 年到1 9 9 9 年对我国大中小具有代表性城镇的饮用水水质调查结果表明，在管网末 梢和经蓄水池( 水箱) 后的用水处，水质总体上比出厂水水质下降3 5 - 2 0 0 ，水质平 均总下降率为8 6 ，合格率下降1 0 6 0 。卫生学指标合格率为4 5 8 0 ；感官状指 标合格率仅为5 0 6 0 ；余氯量过大而导致臭和味不合格率为1 5 - 一2 6 。可见其二次 污染程度是相当严重的f 2 1 。 当前，供水管网二次污染及防治技术的研究，保障供水水质，提高供水安全性，已 成为城市供水的重要课题。 1 2 课题研究目的及意义 对国内3 4 个主要城市管网水质资料进行统计，地表水水厂出厂水水质基本稳定的 占2 1 ，腐蚀性的占5 0 ，轻微结垢的占2 9 。地下水水厂出厂水质基本稳定的约占 5 0 ，有腐蚀性的占3 0 ，轻微腐蚀性的占2 0 。对占全国总供水量4 2 4 4 的3 6 个城 2 长安大学硕士学位论文 市调查，出厂水平均浊度为1 3 度，而管网水增加到1 6 度；色度由5 2 度增加到6 7 度； 铁由0 0 9 m g l 增加到o 1l m g l ；细菌总数由6 6 c u f m l 增加到2 9 2 c u f m l 3 】【4 】【5 】【6 】。一 些初步的统计数据发现管网水的挥发性酚、阴离子合成洗涤剂、硝酸盐这些生物可降解 物质较出厂水分别增加了2 9 3 8 、1 2 3 3 、7 - 6 2 。某城市发现供水管中管垢厚达 1 6 2 0 m m ，赤色，有腥味，含1 6 种金属元素，检出铁细菌、埃希氏大肠杆菌等6 种微 生物【7 】。根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统计，发现无防腐措施的管道输水 能力已降低了1 3 以上。管道结垢，输水水质恶化，管道输水能力下降己成为城市供水 管网普遍存在的现象。 表1 1 饮用水污染事故的污染类型和污染的年度变化趋势( ) 分类 1 9 7 0 1 9 7 41 9 7 5 1 9 7 91 9 8 0 一1 9 8 41 9 8 5 1 9 9 01 9 9 0 1 9 9 4 生物性 8 7 53 3 36 8 47 0 o7 9 3 污染类型 化学性 1 2 56 6 73 1 63 0 02 0 7 水源8 1 23 3 33 2 63 0 02 0 7 管网6 33 3 32 1 o 2 5 0 3 6 6 污染环节二次供水 oo1 0 52 7 5l o 0 供水站 o01 5 87 53 4 其他1 2 53 3 32 1 11 2 56 7 从表1 1 可以看出，管网造成饮用水污染事故在供水工程中所占比例很大，并呈现 逐年增加的趋势。由此可见，供水管网对保障饮用水水质安全的重要性。一旦供水管网 中发生饮用水的污染或恶化，就可能引起水传播疾病，引起较大的危害。管网中发生水 质污染是有滞后性的，而且供水企业可选用解决管网水质污染的方法很少，例如更换管 道、对供水管道进行修复等，这些方法需要花费较多的物力、财力，而且影响供水。管 网冲洗方法可以有效改善管网水质，与其他改善管网水质的方法相比，投入的物力、财 力较少，基本上不影响供水。但是在我国现阶段的供水管网水质管理中，管网冲洗方法 的使用不合理，冲洗效率低，水资源浪费严重。 因此，开展旧管网的清洗，以解决水质二次污染问题是大势所趋。对管道清洗进行 理论分析和实验研究，探寻气压脉冲管道冲洗法的冲洗规律，为提高清洗效果提供理论 依据是本研究课题的主要目的。 通过本课题的研究，在完善供水管网水质管理措施的基础上，对管道清洗规程的制 定提供理论支持，对提高管道清洗的效率，减少城市供水管网的二次污染具有重要的理 论和实际意义。 3 第一章绪论 1 3 国内外相关领域研究现状及进展 1 3 1 国内外供水管网清洗技术研究现状及进展 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，我国大中城市和工矿企业管道清洗多用简易机械或手工方法进 行，诸如电钻钻、钢绳拉和竹竿捅等。到了8 0 、9 0 年代，使用半机械化的方法进行清洗， 如液压绳索的拉拽、疏通机械的钻刮以及低压水、气的冲刷等等。同时，条件合适时也 采用化学的浸蚀和剥落等化学方法进行清洗。尽管传统的清洗方法，如将长杆上装上线 刷刷洗或钻出污物等方法在一定程度上有效，但易损坏管道，并且耗时、效率低。通过 用化学物质在管内循环流动清除管内污物的化学清洗方法，只能用来清洗没有被完全堵 塞的管道，而不能用于清洗已阻塞的管道，也不符合饮用水管道的卫生要求。 如今清洗技术发展迅速，新的清洗技术、清洗方法不断出现，特别值得注意的是： 从世界清洗技术专利统计来看，化学清洗只占1 4 ，而大部分是物理清洗方法。另外， 世界各国对环境保护日益重视，也使化学清洗的发展受到限制。化学清洗每年排放大量 的酸、盐，严重污染周边的环境，而且使地下水的硬度增加。根据给水管道的卫生要求， 化学清洗受到很大的限制，物理清洗技术是未来的发展方向。国外学者专家对管网冲洗 方法及步骤的研究起步较早，开始于上个世纪八十年代，而国内对管网冲洗方法及步骤 研究开始较晚，大约在九十年代后期国内学者才对管网冲洗的步骤具有初步的认识和简 单的研究。 ( 1 ) 单向冲洗法 单向冲洗法是用一定水压的高速水流对管道进行冲洗。清洗的水从管段中流出，通 常是从消火栓流出，这样就能产生足够的速度，可以将管壁上的沉积物和内壁生物膜清 除掉。单向清洗是最简单的管道清洗方法，清洗所需的冲洗速度取决于沉积颗粒的大小 和比重。 1 9 9 4 年，b o e o i 等人首先对管网的单向冲洗方法进行了研究，确定了进行管网单向 冲洗的几个重要参数和原则。在冲洗过程中，通过关闭阀门和打开消火栓的位置及其个 数等控制水的流向、流速，并保证冲洗水完全排出管网等【9 1 。 姜湘i u 等认为松软的积垢可用提高流速的水流进行冲洗，每次冲洗的管线长度为 1 0 0 - 2 0 0 m ，冲洗流速为平时供水速度提高3 5 倍【1 0 】。 单向冲洗中，冲洗流速的确定是整个冲洗过程中起到决定作用的控制参数，所以， 在对冲洗流速方面的研究也最活跃。e d w a r d 等人认为1 8 m s 的流速能够去除附着在管 4 长安大学硕十学位论文 壁的生物膜、腐蚀副产物和其他的沉积物质1 ；也有学者( 如o b e r o i ，1 9 9 4 ) 认为，1 5 m s 的冲洗流速就能达到上述的冲洗目标【9 1 。f r i e d m a n ，m e l i n d a 等人在2 0 0 2 年对进行单向 冲洗的冲洗流速进行了进一步的研究，通过研究管网各种内沉积物质的属性和在各种管 道内壁的附着能力，运用流体计算模拟软件( c f d ) 对管网流速的模型研究，对冲洗流速 的中试试验，得出了一系列的管网冲洗流速确定原则和影响因素【1 2 】。 天津大学焦文海总结了管网单向冲洗的水力计算过程，分析了管网单向冲洗对供水 管网水质生物稳定性和化学稳定性的影响【1 3 】。 d a v i d ，p a r k e r 等人对单向冲洗方法进行了进一步的试验研究，在单向冲洗的过程 中，在冲洗管道的起始端，通过充气装置向待冲洗管道内充二氧化碳气体，降低冲洗水 的p h 值，增强冲洗水与管道内壁附着物质的反应，以此改善管网单向冲洗的效果【1 4 】。 ( 2 ) 高压水射流法 高压水射流法，是用高压水泵和软管连接，通过特制的喷嘴喷射水流清洗管道，高 速、高压水流的冲击能量将管道生物膜除掉。其优点是消耗水量少，冲洗效果好。 高压水射流清洗技术是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的一项新的清洗技术。1 9 7 2 年， 英国流体力学研究协会( b h r a ) 组织了第一次国际水射流切割技术会议。1 9 8 1 年，美国 水射流技术协会( a m e r i c a nw a t e rj e tt e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ) 成立并举办了第一次国际性 水射流技术讨论会暨展览会。1 9 7 9 年，中国召开了第一次全国水射流技术讨论会。 哈尔滨工业大学赵洪宾教授对高压水射流管道清洗法做了大量的研究，对高压水射 流的冲洗原理、射流结构及射流清洗的效果进行了分析，实验得出了不同喷头参数( 喷 孔构造、直径、圆柱段长度) 射流的冲击力【1 5 】。兰州理工大学周文会对高压水射流喷嘴 内外部流场进行了数值模拟【1 6 】。j f k l a u s n e r 等人研究了气水两相高速射流的射流水量 比传统的高压射流小很多，通过激光反射率测定沉淀物的去除率，得到不同喷嘴、气水 混合沉积物去除效果【l7 。 ( 3 ) 气压脉冲法 城市给水管网中的水流一般都是紊流。气压脉冲清洗给水管道是利用空气的可压缩 性，使高压气体以一定的频率进入管内，在管内形成间断的气水流，随着空气的压缩 和扩张，使管内的紊流加剧，水流的切应力增大，使管壁的生长环被冲下，并随着高速 水气流排出。该清洗技术纯属物理过程，无化学污染；采用微机进行测控，利用原有管 道附属设备进行施工，简单可靠，操作方便，可减少工程投资；输入脉冲和排除锈垢装 置均安装在检查井中，无需断管或开挖路面，费用低，却能创造很大的经济效益和社会 5 第一章绪论 效益【15 1 。 宋安坤结合大庆供水管网的自身特点，用气压脉冲技术清洗管道，把管线分为大口 径管线( d n 4 0 0 m m ) 和小区管线( d n 4 0 0 m m ) 分别进行了研究。认为气水脉冲 冲洗技术可以有效的清除供水管线内部的沉积物，减轻水质的二次污染，改善用户水质， 减少供水阻力、减低供水电耗。通过经济和社会效益分析，与传统的清水加压冲洗方法 相比，该方法可节约大量水资源【1 8 】。李运长等把气压脉冲清洗法应用在供水供热管网中， 取得了良好的清洗效果【1 9 】。 以上几种清除管道积垢的方法在技术上各有不同，但都存在一定的技术缺陷，现列 表对比分析。从表1 2 可以看出，气压脉冲具有适应性强、除垢效果好、单次冲洗长度 大、冲洗时间短和耗水量较低等优势，因此选择气压脉冲法进行冲洗试验。 表1 2 各种管道清洗技术优劣性对比 参数单向冲洗高压水射流冲洗气雎脉冲法 针对垢质消除软垢软硬垢皆可清除软硬垢皆可清除 可操作性容易复杂，有一定危险性中等难度 单次冲洗长度 l0 0 2 0 0 m3 0 4 0 m l k m 以上 冲洗时间( 1 k m h )视积垢多少而定 4 82 4 消耗水量多少 中 缺少对清洗大口径管 技术缺陷无法清除硬垢无法清沈长距离管网 道的成功经验 1 3 2 水平管内气液两相流研究进展 通过对几种管道清洗方法的对比，选用气压脉冲法作为本论文的研究对象，气压脉 冲清洗的原理根据气液两相流和曼德汉( m a n d a n e ) 流型图，高频、高压水流在管道内 产生紊流，并在生长环上发生水击、气蚀( c a t i t a s ) 效应。利用气压脉冲清洗设备使压 缩空气以脉冲形式作用在水流上，沿管道内壁产生螺旋式切向力，脉冲以脉冲波形式瞬 间释放高频高能量，动量迅速转化成冲量，以剪切力形式作用在管道内壁的生长环上。 由于冲洗是动态的，脉冲在其间能产生交变压差，这个压差与外界大气压相通，所以只 要当低于水的饱和气压时，便频繁产生“气蚀”现象，使管道内壁上的生长环剥落。交变 压差使水的流速发生突变，压强的急剧升高或降低便在管道内壁产生“水击”，使管道内 壁上的生长环剥落。另外，脉冲能产生“弹性”加速度流，这增强了紊流的脉动性，增加 了惯性切应力，使清洗更为彻底【”】。由气压脉冲法的冲洗原理可以看到，对气压脉冲法 进行理论研究，首先要研究管道中的气液两相流。在两相流动过程中，由于相界面的形 6 长安大学硕二l ：学位论文 状和分布都是随时间和空问变化的，并且两相之间存在速度差，使得两相流动过程要比 单相流动复杂得多，同时在两相流中也增加了一些在单相流中不存在的参数。在气液两 相流中，这些参数主要包括：流型，表观速度，滑移比，分相含率，压力和压力降，流 量，压力波传播速度等。 ( 1 ) 流型的研究 两相流系统是复杂的非线性动态系统，相间存在着界面效应和相对速度，致使两相 流参数检测难度较大。在两相流系统中，流型又称流态，即流体流动的形式或结构【2 0 】， 是一个重要的检测参数，它不仅影响两相流的流动特性和传热、传质等性能，而且影响 两相流系统其他参数的准确测量。在工程实际应用中，为了实时监控生产过程，往往需 要对管道内两相流的流型进行在线识别。流型在线识别方法可以分为两类f 2 1 】：一类是根 据两相流流动图像直接确定流型，如目测法、高速摄影法、过程层析成像法等；另一类 是问接方法，即通过分析两相流流动特性的波动信号来提取流型特征，进而识别流型2 2 1 。 从实际的应用角度，h e w i t t 在综合发展其他研究者结果的基础上，提出在水平管内气液、r 两相流型分为泡状流、弹状流、层状流、塞状流、环状流、波状流等六种【2 3 1 。近年来， 研究论文多为有关气体和非牛顿流体的管内气液两相流流型及小尺度管或特殊管子横 截面的管内气液两相流。如王树众( 1 9 9 6 ) 等研究两相流在下降管内流型 2 4 】；b o n j o u n ( 1 9 9 8 ) 等研究水在竖直两板中狭小空间内沸腾时流型【2 5 】；m i s h i m a ( 1 9 9 6 ) 等研究了毛细管中气 水两相流流型【2 6 】；t r l p l e t t ( 1 9 9 9 ) 发表了微通道中气液两相流流型研究报告【2 7 】；w o l k ( 2 0 0 0 ) 研究当量直径为6 n u n 的三角形截面管中流型【2 8 】；g r a d e c k ( 2 0 0 0 ) 研究水平波形管气液两 相流型2 9 】；x u ( 1 9 9 9 ) 发表了具有微型槽的矩形管中的气液两相流型【3 0 】；w e i s m a n ( 1 9 9 6 ) 研究了管内存在微型螺旋线状肋片时，流体物性对气液两相流型的影响，以及d u ( 1 9 9 7 ) 发表了微型内肋水平管中凝结时的流型研究报告等【3 1 】【3 2 1 。目前，关于如何利用现代化 的信息获取与处理手段，更加快速准确地进行流型的在线识别已成为该领域的研究热点 之一。施丽莲等基于图像处理技术，针对管道内的气液两相流，提出一种从流动图像中 提取特征，然后结合模糊推理方法进行流型识别【3 3 1 。周云龙等提出一种基于图像不变矩 与粒子群优化神经网络相结合的气液两相流流型识别的方法【3 4 】。孙斌等将像空间重构和 奇异值分解相结合用于识别气液两相流模型【3 5 1 。 ( 2 ) 压力波传播速度研究 压力波在气液两相流中的传播特性对研究两相流中的瞬态水力问题有重要意义。空 隙率及两相流量的超声波测量，两相水锤波在管路中的传播，反应堆热工小破口事故中 7 第一章绪论 的两相临界流等，都要求对两相压力波的传播速度有充分的了解。目前，对压力波在气 液两相流中传播特性的认识还存在分歧。w a l l i s 均质流场速公式与分层流声速公式对气 液两相流声速的计算结果相差近一个数量级【3 6 】。m a r t i n 弹状流水锤波波速公式，n g u y e n 弹状流声速公式，对弹状流压力波波速的计算结果也相差近一个数量级【3 7 】【3 8 1 。文献例 考虑狭义相问阻力的分析结果表明，气液两相流中的压力波有明显的色散性，而文献 4 0 】 对泡状流压力波的测量结果则显示出泡状流压力波的色散性并不十分显著。刘磊等人考 虑广义相间阻力推导的压力波波数k 方程具有通用性，对波速的计算结果与前人的测 量结果符合良好【4 。 ( 3 ) 压力降的研究 对弹状流的分析主要建立在由d u k l e r & h u b b a r d 所提出的一维模型方法，该模型忽 略了液膜区的压力损失，而只计算液弹区的压力损失心】。后来的一些学者，如 g r e g o r y 4 3 1 、f e l i z o l a 和s h o h a m t 4 4 】提出了同样的计算模型，在这些模型中，总的压力损 失由摩擦压降、水静压降以及造成混合区液膜在进入液弹时加速的混合区压降组成。然 而，a n d r e u s s i 、m i n e r v