跌流竖井内循环气流流通的临界位置理论建模和计算_魏佳芳.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 5 5-0 6跌流竖井内循环气流流通的临界位置理论建模和计算魏佳芳*1,芦三强1,赵文举1,南军虎1,龙丽丽2,曾永亮1(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;2.大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连 1 1 6 0 2 4)摘要:在跌流竖井中设置内循环气流系统能够有效减缓下游排水管道被加压和气体聚集的状况.为了确定内循环气流系统中气体能够形成流通回路的临界位置,采用理论模型计算的方法研究了带有内循环气流系统的跌流竖井内湿管和气管的气压分布.结果表明:只有当气体循环路径在高于临界气压所对应的临界位置时,该内循环气流系统才能够发挥作用;理论计算所得湿管和气管的气压分布与模型实验所测得的数据相吻合;对于跌落高度为7.7 2m的跌流式竖井,临界位置的范围为0.6 50.8 4倍跌流高度,且流量越大临界位置越靠近竖井底部.关键词:跌流竖井;理论模型;内循环气流;气压临界值;临界位置中图分类号:TV 3 9 文献标志码:AT h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o no f c r i t i c a lp o s i t i o no f i n t e r n a lc i r c u l a t i o na i r f l o wi nap l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f tWE I J i a-f a n g1,L US a n-q i a n g1,Z HAO W e n-j u1,NANJ u n-h u1L ON GL i-l i2,Z E N GY o n g-l i a n g1(1.C o l l e g eo fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.C o l l e g eo fE n e r g ya n dP o w e r,D a l i a nU n i v.o fT e c h.,D a l i a n 1 1 6 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e i n s t a l l a t i o no f a n i n t e r n a l a i r c i r c u l a t i o n f l o ws y s t e mi n t h ep l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f t c a ne f-f e c t i v e l ys l o wd o w n t h e a i rp r e s s u r e a n da i r a c c u m u l a t i o n i nd o w n s t r e a md r a i n a g ep i p e l i n e s.I no r d e r t od e-t e r m i n e t h ec r i t i c a l p o s i t i o nw h e r e t h ea i r i nt h e i n t e r n a l a i rc i r c u l a t i o nf l o ws y s t e mc a nf o r mac i r c u l a t i o nl o o p,t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt oe x p l o r e t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i nt h ew e t s h a f t a n dt h ea i r s h a f t i n t h ep l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f tw i t ha n i n t e r n a l a i r c i r c u l a t i o ns y s t e m.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a tt h es y s t e mp l a y e da ne f f e c t i v e r o l eo n l yw h e n t h e a i r-c i r c u l a t e d r o u t ew a s a b o v e t h e c r i t i c a l p o s i t i o n(c o r r e-s p o n d i n gt ot h e c r i t i c a l p r e s s u r e).T h e c a l c u l a t e da i r p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n s i nb o t hs h a f t s t h r o u g h t h e t h e o-r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o da g r e ew i t ht h em e a s u r e m e n t sw e l l.F o r t h ep l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f tw i t had r o ph e i g h to fH=7.7 2m,t h ec r i t i c a lp o s i t i o nw a sa b o u t0.6 5H 0.8 4H.M o r e o v e r,t h ec r i t i c a lp o s i t i o nw a sc l o s e r t ot h eb o t t o mo f t h ed r o p s h a f tw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ew a t e r f l o wr a t e.K e yw o r d s:p l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f t;t h e o r e t i c a lm o d e l;i n t e r n a lc i r c u l a t i o na i rf l o w;c r i t i c a lp r e s s u r e;c r i t i c a l p o s i t i o n 跌流竖井被广泛应用于城市排水系统中,主要用来将浅层管网中水流输送到地下深渠中1-2.水流跌入竖井时会吸入外界大量的空气,致使排污管道 收稿日期:2 0 2 1-0 9-2 8 基金项目:国家自然科学基金(5 1 5 0 9 1 2 3),甘肃省青年科技基金计划项目(2 2 J R 5 R A 2 8 7)通讯作者:魏佳芳(1 9 8 9-),女,甘肃靖远人,博士,副教授.E m a i l:w e i j i a f a n g 2 0 0 61 2 6.c o m中产生的硫化氢等难闻气体在下游管道被加压的状态下从一些开口逸出到外界环境中,从而引发严重的气味问题,这对人们的日常生活造成了极大的影响3-4.此外,竖井内卷吸进的大量气体还会引发气爆和井喷事件,导致一系列安全事故发生5.因此,降低排水管道系统的气压对于控制臭气逸散等问题具有重要的意义6.在竖井中布设内循环气流系统可以有效缓解下第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3游排污管道内气压过大的问题,内循环气流系统既可以布设在竖井内,也可以布设在竖井外.W e i等7在竖井内放置了底部和顶部留有一定开口的中心隔板,该隔板将竖井分为湿管和气管,湿管主要用于过水和过气,气管用于内循环气流流通;由于井内存在的气压梯度能够在湿管和气管中循环流通,所以该方法能够有效减少竖井内气体转移到下游管道.Z h a n g等8对加拿大埃德蒙顿市2个添加了循环气流系统的竖井实施了野外监测项目,该系统中气流井与竖井之间用5个水平管道连接方便气体循环流通;监测过程中发现,气流井的气体可以从靠近竖井顶部的3个水平管道(3#5#)流入竖井,第4个水平管道(2#)中气体可能双向流通,而最底部的1#水平管道中气体则从竖井流向气流井,此时该水平管道构成的内循环气流系统并没有发挥作用;由此说明第4个水平管道所处的位置是气体能够在该系统内循环流通的临界位置,因此,要使该系统发挥作用或者在该系统内可以形成内循环气流,则水平管道的位置应该设置在该临界位置以上.M a等9和马一袆1 0研究了布设在竖井外的循环气流系统性能,结果表明,该系统能够有效降低下游管道的气压,且水平管道的位置会影响系统的性能,越靠近竖井顶部的水平管道对提升竖井性能作用越大,而最底部的水平管道并不会对竖井产生影响.尽管目前对带有循环气流系统的竖井已经进行了大量研究,但是可供气体在内循环气流系统中流通的临界位置研究并不清楚.因此,不仅无法保证该内循环气流系统能够很好地发挥作用,而且无法精准地将内循环气流系统应用于竖井的实际改进中.本文采用理论计算的方法对带有内循环气流系统的跌流竖井中气体能够循环流通的临界位置进行研究,着重计算了竖井内中心隔板两侧湿管和气管的气压分布,找出气管和湿管中气压相等的临界气压,确定可供内循环气流流通的临界位置和路径范围,可为城市排水系统中设有内循环气流系统的竖井设计改进提供理论依据和技术指导.1 理论计算模型本文计算所采用的带有内循环气流系统的跌流竖井结构如图1所示7.该结构主要由进水管、进气管、井身、中心隔板、弯肘段和出流管等部分组成.竖井中水流跌落高度H为7.7 2m,竖井井身、出流管和弯肘连接段的直径同为0.3 8m,竖井顶部密封,外界空气只能从直径为0.1m的进气管进入竖井.放置在径向位置的中心隔板将竖井分为湿管和气管,湿管主要用来过水和过气,气管主要用来循环气体流通.图1中直线箭头表示来自进气管中气体的流动方向,其中折线箭头表示内循环气体的流动方向,竖井内的气体正是由这两部分构成.隔板顶部与竖井顶部接触良好,隔板底部距离竖井底部保持一段距离,方便下落水流出流和湿管中气体向气管流通.图1 跌流竖井结构示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep l u n g i n g-t y p ed r o p s h a f t1.1 湿管的气压分布W e i等7将湿管的气压分布划分为3个区域,即水舌阻隔段(P0P1)、气压恒定段(P1P3)和线性增长段(P3P8),整个湿管的气压分布可用这3个区域的气压分布和进气管的气压控制方程确定.湿管的气压分布控制方程包括:1)进气管气压Pa-P0=KI12a(VIa)2(1)式中:Pa为大气压,P a;P0为水舌上方Z=0.6 4m处的气压,P a;KI为气体流经进气管时的损失系数,取1.57;a为标准大气压室温时的气体密度,取1.1 9 5k g/m3;VIa为进气管的气体平均流速,m/s.2)水舌阻隔段气压(P0P1)P0-P1=0,Q*w0.1(2)P0-P1=12aV2a(a Q*2w+b Q*w),Q*w0.1(3)式中:无量纲的来水流量Q*w=Qw/g D5s,其中Qw为来水量,L/s;Ds为湿管直径,m;g为重力加速度,m/s2;P1为水舌下方的气压,P a;Va为湿管的气