污水管道有害性气体运动与分布规律研究

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随着城市规模的逐渐发展扩大,城市污水管道的运行安全逐渐成为需要重点关注的领域。本文针对污水管道内气体的运动和有害性气体的分布规律展开了相关研究。利用CFD模拟技术对污水管道通风数学模型进行了验证,以验证其准确性;利用VOF模型对污水管道检查井跌水进行了模拟计算,得到了不同开孔状态下的等效通风机特性曲线,并将其与管道阻力曲线联立,确定一段特定管段通风量;利用微元法对污水管道内有害性气体的运动与分布规律进行了建模,得到了三种气体分布的典型状态,主要研究结论有:(1)利用CFD验证可知利用数学模型对污水管网进行有害性气体通风计算是可行的,离跌水井越近的检查井小孔空气流率越大,(2)跌水井井盖开孔一般为吸气,即新鲜空气会通过跌水处的井盖开启孔进入污水管道,越远离跌水的检查井小孔空气流量越小(3)通过与竖桶试验结果对比,利用VOF算法模拟结果与试验结果平均误差为7.43%,最大误差为12.5%,因此可以认为利用VOF算法计算污水管道跌水进风量是可行的。(4)DN800的污水管道,在开孔比分别为0.125%、0.5%、1%和100%时,污水管道安全通风长度分别为246m、626m、705m和741m。适当增加开孔比可以显著增加有效通风长度。而开启孔大到一定程度时,继续增加开孔效果不显著。当跌水井后方管道长度大于安全长度时,甲烷有达到爆炸极限的风险,为保证管道安全运行,应考虑安装辅助通风装置。(5)通过对污水管道有害性气体的运动与分布规律进行建模分析,可以得到3种典型的污水管道中有害性气体分布状态。分别是逐渐减小;逐渐增大;先增大后减小。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
1. 绪论第10-22页
    1.1 研究背景第10页
    1.2 研究现状第10-18页
        1.2.1 污水管道设计及运行第11页
        1.2.2 污水管道有害性气体种类及危害第11-14页
        1.2.3 污水管道内有害性气体流通与排出方面第14-16页
        1.2.4 管道内有害性气体分布规律研究方面第16页
        1.2.5 污水管道有害性气体控制方面第16-18页
        1.2.6 研究存在的问题第18页
    1.3 主要内容和意义第18-19页
        1.3.1 主要内容第18-19页
        1.3.2 研究意义第19页
    1.4 研究技术路线与论文框架第19-22页
        1.4.1 研究技术路线第19-20页
        1.4.2 论文框架第20-22页
2 计算流体力学应用和VOF模型简介第22-26页
    2.1 CFD及FLUENT简介第22-24页
        2.1.1 质量守恒方程(连续性方程)第23页
        2.1.2 动量守恒方程(N-S方程)第23-24页
        2.1.3 能量守恒方程第24页
    2.2 VOF模型简介第24-26页
        2.2.1 容积比率方程(The Volume Fraction Equation)第25页
        2.2.2 动量方程(The Momentum Equation)第25页
        2.2.3 能量方程(The Energy Equation)第25页
        2.2.4 界面附近的插值(Interpolation Near The Interface)第25-26页
3 基于CFD对污水管道通风数学模型的验证第26-44页
    3.1 引言第26页
    3.2 数学模型计算方法第26-32页
        3.2.1 流量和压力平衡方程第27页
        3.2.2 管道中压力损失与流量的关系第27-29页
        3.2.3 跌水井射流对气体的推动第29页
        3.2.4 模型方程组第29-31页
        3.2.5 MATLAB求解方法第31-32页
    3.3 CFD验证计算第32-33页
        3.3.1 模型概况第32页
        3.3.2 网格划分第32-33页
        3.3.3 边界条件第33页
        3.3.4 模拟方法第33页
    3.4 计算结果对比与结论第33-34页
        3.4.1 CFD计算结果第33-34页
        3.4.2 CFD与模型计算结果对比第34页
    3.5 实例污水管网模型计算第34-43页
        3.5.1 实例污水管网概况第34-35页
        3.5.2 实例污水管网计算过程第35-40页
        3.5.3 实例污水管网通风计算结果第40-43页
        3.5.4 模型计算存在的不足第43页
    3.6 小结第43-44页
4 污水管道中检查井通风特性试验与模拟研究第44-58页
    4.1 引言第44页
    4.2 实验与CFD计算结果的相互验证第44-46页
        4.2.1 竖桶试验模型第44-45页
        4.2.2 网格划分第45页
        4.2.3 边界条件第45页
        4.2.4 模拟方法第45-46页
        4.2.5 小模型实验与模拟结果对比第46页
    4.3 检查井跌水卷吸开气孔进风性能分析第46-49页
        4.3.1 模型尺寸第46-47页
        4.3.2 边界条件第47-48页
        4.3.3 检查井跌水卷吸开气孔进风性能分析第48-49页
    4.4 检查井开启孔在污水管道中通风特性分析第49-56页
        4.4.1 管道通风量计算原理第49-50页
        4.4.2 检查井跌水卷吸等效通风机特性第50-51页
        4.4.3 污水管道通风量计算第51-52页
        4.4.4 不同跌水高度下的有效通风机特性曲线第52-55页
        4.4.5 跌水井有安全长度第55-56页
    4.5 小结第56-58页
5 污水管道有害性气体分布规律模型研究第58-64页
    5.1 引言第58页
    5.2 气体分布模型建立第58-60页
    5.3 关于有害性气体浓度模型的几种预测状态第60-61页
    5.4 实测检查井数据与模型对比第61-63页
        5.4.1 实验地点与时间第61页
        5.4.2 现场测量方法第61-62页
        5.4.3 测量结果第62页
        5.4.4 模型系数选取第62-63页
        5.4.5 模型也实验结果对比第63页
    5.5 小结第63-64页
6 结论与建议第64-66页
    6.1 主要结论第64-65页
    6.2 建议与展望第65-66页
图目录第66-67页
表附录第67-68页
参考文献第68-73页
硕士研究生阶段发表论文第73-74页
致谢第74页
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