真空水力輸送管道的數值模擬分析分析了不同類型真空排水系統水力輸送的研究重點。討論了真空水力輸送管道的流動形態及其非恒定流問題。介紹了一種用于真空水力輸送管道模擬的氣液雙流體模型。以室內真空排水系統中常見的真空污水收集單元為例開展了數值模擬，得到了管道中持液率和壓強的瞬態變化過程，對結果做出分析，可為系統的優化設計及運行提供參考。

真空排水系統是一種利用負壓管道中的壓力梯度開展污水收集的新型污水收集系統，在地下建筑及對衛生條件要求較高的地區具有較高的適用性。該系統的實現需解決四個問題：①真空如何產生，需何種真空發生裝置;②污水如何進入系統，需何種閥件及控制方式;③污水如何在真空管道中輸送;④收集至真空站的污水如何排出真空系統，需何種設備。目前業界對①、②、④已有了較為清晰的認識和技術手段，而對真空管道的水力輸送機理仍處于經驗設計階段，而其水力特性與真空管道設計及設備能耗密切相關。本文將圍繞第③點，首次引入兩相管流瞬態模擬技術作一探索。

1、系統分類及研究重點

真空排水系統可分為室內系統和室外系統兩種。前者主要用于建筑排水領域，后者主要用于市政領域。不同類型系統的水力輸送的研究重點如下表1。

表1不同類型系統水力輸送的研究重點

2、管道流動特點

2.1、流動形態

真空水力輸送管道與重力排水管道及傳統粉料氣力輸送的流動狀態有顯著區別，真空管道內污水的流動由負壓梯度驅動，存在復雜的氣-液-固三相流動。由于固相污物進入管道后往往被高速流動破碎分散，故將液-固兩相視作同一相，進而將管道內流動看作氣-液兩相流動。如圖1為常見的豎直及水平(或近水平)管道中的氣-液兩相流的流型。對于氣液比由小至大分別是：泡狀流、段塞流、團狀流(或分層流)、環狀流。

圖1豎直及近水平管道中的氣液兩相流的流型

2.2、非恒定流問題

排水終端開始或終止排水、終端工作條件變化、管道泄漏或堵塞，或設備故障均會使進入管道的氣液流量發生變化、從而產生不穩定流動。

某些參數可能發生劇烈變化，與穩態值相差較大，可能需要有較長的時間才能重新到達新的穩定狀態。如在真空界面閥開啟，排水終端排水時，污水和空氣在時間上是相繼進入系統的，即入口處的氣液比在時間上并非恒定。又如，真空管道高低起伏(呈鋸齒形或U形布置)，污水易在低處聚集，沿管方向上的氣液比，壓力等參數在空間上也是變化的。

現有真空排水系統設計計算時往往采用：按一定概率將易于計算的靜態負荷累加，以推算總動態負荷(計算壓力損失和設計流量);以提高系統的工作參數(系統工作真空度或管徑等)來近似處理瞬態多相流動。這樣靜態設計方法輕則增加投資和運行費用，重則造成系統無法正常工作(如一味增大管徑雖然能減小根據修正公式計算的管道沿程損失，但在輸送較小液相流量的氣液兩相流時會顯著增大耗氣量和能耗，運行中出現過多“氣穿水”的環狀流，而實際壓力損失則并非一定減小)。為經濟地設計和運行真空排水管網，優化運行狀況，有必要在設計階段就對其開展數值模擬，預測相關瞬態過程，發現實際運行中可能出現的問題，獲得優化的設計方案及其參數。

再者，隨著真空排水系統向更大流量、更長線路及更復雜化方向發展，亦有必要研究管網中多相流的動態模型。如目前世界上最大的真空排水系統位于迪拜“棕櫚島”上，系統目前服務于2000幢別墅，有全長40km的真空管道。

5、結語

非恒定流動在各種污水收集系統中普遍存在，在真空水力輸送管道中尤為突出。本文運用雙流體模型，對真空污水收集單元的工作過程開展了數值模擬，獲得了其瞬態過程中的持液率，壓強，流速的重要參數，驗證了污水的段塞輸送機理，觀察到了管內壓強波動，壓