CN113191094A - 一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟 - Google Patents

一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，相比于现有技术，本发明的模拟方法，一方面明确管道内生物腐败气体污染物排放量及排放规律，弥补了当前输水工程中共入侵生物环境效应研究匮乏的不足；另一方面明确了管道内生物腐败气体污染物净化需风量，对保障检修期检修人员安全与机械正常运转具有重要意义；此外还进行考虑生物腐败的输水隧洞检修期通风数值模拟，明确风流及有害气体迁移分布规律，对保障复杂输水管道通风安全具有重要意义。

Description

一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟
技术领域
本发明涉及水利工程输水管道检测通风技术领域，具体涉及一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟。
背景技术
输水工程中以淡水壳菜、河蚬和囊螺为主的生物入侵现象十分严重，诸如我国东江供水、龙茜供水和粤港供水等工程的管道、箱涵、隧洞等重要结构均受大量淡水壳菜侵损困扰。长距离输水工程常采用无水检修方法，导致管道内大量生物脱水死亡。死亡生物在腐败菌分解作用下产生的胺、氨、硫化物等腐败气体具有刺激性气味或毒害作用，大量存在时将造成严重的环境污染，影响检修人员工作环境适宜度甚至威胁其生命安全。国内外学者对上述入侵物种进行了一系列生态以及结构安全方面的研究，然而对其死亡腐败产生的气体污染对周边环境和人员的影响还缺乏关注。并且，长距离输水工程普遍存在通风排污困难的问题，而现有研究多将复杂长距离输水管道中的风流简化为一维分布，通过一维稳态数值模拟研究获取断面平均流速分布以及污染物浓度峰值，忽略了断面尺寸对风流发育过程以及气体污染物迁移规律的影响，过度简化的计算模型也导致了模拟结果准确性不足，难以为实际工程通风技术应用提供有效的指导。因此，明确输水管道内生物腐败气体净化需风量，明确输水管道风流场的发育情况以及污染物迁移规律，成为当前水资源配置工程检修期通风研究中亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于：通过提供一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，以解决目前针对输水管道检修期通风研究中缺乏考虑生物腐败气体的污染，以及一维稳态通风数值模拟方法准确度不足的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，包括以下步骤：
(1)生物腐败气体释放特性测定实验：对生物死亡腐败过程中产生的具有刺激性气味或毒害作用气体的浓度进行实时检测，获取生物腐败气体的释放数据；
(2)生物腐败气体释放速率方程拟合：结合生物动力学模型，对所述生物腐败气体的释放数据进行处理，得到生物腐败气体的释放速率方程；
(3)考虑生物腐败气体污染的需风量：基于气体稀释理论，计算稀释或排除生物腐败气体所需风量，并以此为依据对初步设计需风量进行修正，得到最终管道检修期的总设计需风量；
(4)管道检修期通风数值模拟：建立管道检修期通风三维非稳态数学模型，并模拟管道检修期通风风流场的发育情况以及污染物的迁移规律。
优选的，步骤(1)中，所述生物包括淡水壳菜、河蚬和囊螺中的至少一种；所述刺激性气体或毒害气体包括NH3、H2S、CH4、CO中的至少一种。
优选的，步骤(2)中，生物腐败气体释放速率方程拟合：结合生物动力学模型，对所述生物腐败气体的浓度、生物密度和腐败时间数据进行处理，得到生物腐败气体的释放速率方程。
优选的，所述生物动力学模型包括Gompertz模型、Huang模型、Baranyi模型和Logistic模型中的至少一种。
优选的，所述生物动力学模型为Gompertz模型；
Gompertz模型为：
Figure BDA0002996633130000021
所述生物腐败气体的释放速率方程为：
Figure BDA0002996633130000022
其中，N(t)为t时微生物的对数值lgCFU，g；Nmax为微生物的最大值lgCFU，g；N0为初始值lgCFU，g；k为微生物生长的最大比生长速率，s-1；λ为微生物生长的延滞时间，s；C为刺激性气体或毒害气体的浓度，mg/m3；M为生物质量密度，mg/m2；t为时间，s。
优选的，步骤(3)中，所述初步设计需风量包括检修人员的所需风量和稀释检修机械污染物的所需风量。
优选的，步骤(3)中，所述检修人员的所需风量的计算公式为：Qreq1＝knq；
所述稀释检修机械污染物的所需风量的计算公式为：Qreq2＝Hsqsαs；
所述稀释或排除生物腐败气体所需风量的计算公式为：Qreq3＝f(C)；
所述最终管道检修期的总设计需风量的计算公式为：
Q0＝max(Qreq1,Qreq2,Qreq3)；
其中：Qreq1为检修人员的所需风量，m3/s；Qreq2为稀释检修机械污染物的所需风量，m3/s；Qreq3为稀释或排除生物腐败气体的所需风量，m3/s；Q0为管道检修期的的总需风量，m3/s；C为刺激性气体或毒害气体的浓度，mg/m3；Hs为机械总功率，kw；qs为检修机械单位功率所需的通风量，一般取2.8～8.1m3/(kw·min)；αs为机械平均工作效率；k为风量备用系数，取值范围为1.1～1.2；n为洞内检修人员的最大人数；q为洞内每人每分钟需要得新鲜空气量，按3.0m3/min计算。
优选的，步骤(4)中，所述通风三维非稳态数学模型包括连续性方程、动量守恒方程和组分运输方程中的至少一种。
优选的，所述连续性方程为：
Figure BDA0002996633130000031
所述动量守恒方程为：
Figure BDA0002996633130000032
所述组分运输方程为：
Figure BDA0002996633130000033
其中：ρ为密度，kg/m3；ui(i＝1,2,3)分别为流体相在x，y，z三个方向的风速，m/s；SC为动量源项；cs为管道内污染物体积分数，％；Ds为该组分的扩散系数；t为时间，s；组分输运方程用于处理有害气体迁移涉及到的不同气体组分的混合与相互作用，式中源项SS为H2S、NH3、CH4和CO等气体污染物的生产率，mg/(m3·s)。
优选的，步骤(4)中，管道检修期通风数值模拟：建立管道检修期通风三维非稳态数学模型，并采用k-ε湍流模型对输水管道内的湍流流动进行模拟，获取管道检修期通风风流场的发育情况以及有害气体扩散迁移规律。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，一方面明确管道内生物腐败气体污染物排放量及排放规律，弥补了当前输水工程中共入侵生物环境效应研究匮乏的不足；另一方面明确了管道内生物腐败气体污染物净化需风量，对保障检修期检修人员安全与机械正常运转具有重要意义；此外还进行考虑生物腐败的输水隧洞检修期通风数值模拟，明确风流及有害气体迁移分布规律，对保障复杂输水管道通风安全具有重要意义。
附图说明
图1为本发明考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟的流程图。
图2为本发明生物腐败气体释放特性测定实验的装置结构示意图。
图3为本发明生物腐败气体释放特性测定实验的装置的主视图。
图4为本发明生物腐败气体释放特性测定实验的装置的左视图。
图5为本发明生物腐败气体释放特性测定实验的装置的俯视图。
图中：1-箱体；11-气体回流孔；12-气体采样孔；13-功能孔；2-淡水壳菜。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，包括以下步骤：
(1)生物腐败气体释放特性测定实验：对生物死亡腐败过程中产生的具有刺激性气味或毒害作用气体的浓度进行实时检测，获取生物腐败气体的释放数据；
(2)生物腐败气体释放速率方程拟合：结合生物动力学模型，对所述生物腐败气体的释放数据进行处理，得到生物腐败气体的释放速率方程；
(3)考虑生物腐败气体污染的需风量：基于气体稀释理论，计算稀释或排除生物腐败气体所需风量，并以此为依据对初步设计需风量进行修正，得到最终管道检修期的总设计需风量；
(4)管道检修期通风数值模拟：建立管道检修期通风三维非稳态数学模型，并模拟管道检修期通风风流场的发育情况以及污染物的迁移规律。
以下具体案例以淡水壳菜为目标生物，进行考虑淡水壳菜腐败气体污染的输水隧洞检修期通风数值模拟研究。
一种输水考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，包括以下步骤：
(1)生物腐败气体释放特性测定实验：通过现场调研、资料查阅和经验问询等，明确工程内淡水壳菜附着规律，获取管道内淡水壳菜的最大、最小、平均附着密度和累积厚度等数据。综合依据淡水壳菜附着规律和样本抽取原则，设定淡水壳菜样本实验密度。在工程当地采集淡水壳菜样本，将不同密度的淡水壳菜放入满水的实验装置中，随即排空水体并视为实验开始，使用在线式气体检测仪持续测定箱体内腐败气体的浓度至其完全腐败。在本案例中，以淡水壳菜腐败气体污染最不利情形为依据，以挥发性强、释放量大、刺激性和毒害作用强为条件，选取NH3、H2S、CH4、CO等腐败气体为主要检测对象。
其中，如2～5所示，用于生物腐败气体释放特性测定实验的装置结构为：包括箱体1，淡水壳菜2放置于所述箱体1内；所述箱体1的两端分别设置有气体回流孔11和气体采样孔12，所述气体回流孔11与在线式气体检测仪的气体回流管相匹配，所述气体采样孔12与在线式气体检测仪的气体采样管相匹配，测试时，所述在线式气体检测仪的气体回流管和气体采样管分别与所述气体回流孔11和所述气体采样孔12连接；所述箱体1的至少一端还设置有至少一个功能孔13，用于淡水壳菜2的添加和清理、水体的注入和排放以及气体排放等，在测定实验过程中，使用外螺纹堵头封闭所述功能孔13，使得箱体1保持密封状态。具体的，该箱体1可为圆柱形，与输水管道的原型设计相同或相似，箱体1的长度为500～700mm，内径为400～550mm，外径为450～580mm；而气体回流孔11和气体采样孔12的孔径均为8～12mm，功能孔13的孔径为70～90mm。在本案例中箱体1的长度具体为600mm，内径为480mm，外径为510mm，气体回流孔11和气体采样孔12的孔径均为10mm，功能孔13的孔径为80mm。
(2)生物腐败气体释放速率方程拟合：结合Gompertz模型(式1)，使用Matlab系统对不同淡水壳菜密度和时间下NH3、H2S、CH4和CO浓度数据进行处理，最终得出腐败气体释放速率方程(式2)。
Gompertz模型为：
Figure BDA0002996633130000061
腐败气体的释放速率方程为：
Figure BDA0002996633130000062
其中，N(t)为t时微生物的对数值lgCFU，g；Nmax为微生物的最大值lgCFU，g；N0为初始值lgCFU，g；k为微生物生长的最大比生长速率，s-1；λ为微生物生长的延滞时间，s；C为NH3、H2S、CH4或CO的浓度，mg/m3；M为生物质量密度，mg/m2；t为时间，s。
(3)考虑生物腐败气体污染的需风量：根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》的要求和气体稀释理论，计算检修人员(式3)和稀释检修机械污染物(式4)所需风量，结合生物腐败气体的释放速率方程(式2)，计算稀释或排除生物腐败气体所需风量(式5)，最终得出输水管道检修期总设计需风量(式6)。
检修人员的所需风量的计算公式为：Qreq1＝knq； (式3)
稀释检修机械污染物的所需风量的计算公式为：Qreq2＝Hsqsαs；(式4)
稀释或排除生物腐败气体所需风量的计算公式为：Qreq3＝f(C)；(式5)
最终管道检修期的总设计需风量的计算公式为：
Q0＝max(Qreq1,Qreq2,Qreq3)；(式6)
其中：Qreq1为检修人员的所需风量，m3/s；Qreq2为稀释检修机械污染物的所需风量，m3/s；Qreq3为稀释或排除生物腐败气体的所需风量，m3/s；Q0为管道检修期的的总需风量，m3/s；C为NH3、H2S、CH4或CO的浓度，mg/m3；Hs为机械总功率，kw；qs为检修机械单位功率所需的通风量，一般取2.8～8.1m3/(kw·min)；αs为机械平均工作效率；k为风量备用系数，取值范围为1.1～1.2；n为洞内检修人员的最大人数；q为洞内每人每分钟需要得新鲜空气量，按3.0m3/min计算。
(4)管道检修期通风数值模拟：建立输水管道检修期通风三维非稳态数学模型，包括输水管道检修期通风基本控制方程：连续方程(式7)、动量守恒方程(式8)以及组分输运方程(式9)。
连续性方程为：
Figure BDA0002996633130000071
动量守恒方程为：
Figure BDA0002996633130000072
组分运输方程为：
Figure BDA0002996633130000073
其中：ρ为密度，kg/m3；ui(i＝1,2,3)分别为流体相在x，y，z三个方向的风速，m/s；SC为动量源项；cs为管道内污染物体积分数，％；Ds为该组分的扩散系数；t为时间，s；组分输运方程用于处理有害气体迁移涉及到的不同气体组分的混合与相互作用，式中源项SS为H2S、NH3、CH4和CO等气体污染物的生产率，mg/(m3·s)。
此外，还采用k-ε湍流模型对输水管道内的湍流流动进行模拟，对输水管道检修期通风过程进行准确地描述。
RNG k-ε湍流模型的湍动能k输运方程：
Figure BDA0002996633130000081
RNG k-ε湍流模型的湍动能耗散率ε输运方程：
Figure BDA0002996633130000082
Figure BDA0002996633130000083
Figure BDA0002996633130000084
Figure BDA0002996633130000085
Figure BDA0002996633130000086
其中：k为湍流的湍动能，m2/s2；xj和ui、uj为长度和速度的空间分量，单位分别为m和m/s，i或j＝1、2、3分别表示x、y、z三个方向上的分量；μ和μt分别为分子动力粘性系数和湍流动力粘性系数，(N·m)/s；Gk是由平均速度梯度产生的湍动能，m2/s2；ui’和uj’为各方向上速度的脉动值，m/s；ε为湍动能耗散率，m2/s3；αk和αε是湍动能k和耗散率ε对应的湍流普朗特数的倒数，在高雷诺数湍流运动中αk和αε均取1.393；Sk和Sε为湍动能输运方程和湍流耗散率输运方程的源项；η表示无量纲应变或平均流量与湍流的时间尺度比，反映了流动的各向异性程度；C1、C2、Cμ、η0和β是方程中的经验常数。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生物腐败气体释放特性测定实验：对生物死亡腐败过程中产生的具有刺激性气味或毒害作用气体的浓度进行实时检测，获取生物腐败气体的释放数据；
(2)生物腐败气体释放速率方程拟合：结合生物动力学模型，对所述生物腐败气体的释放数据进行处理，得到生物腐败气体的释放速率方程；
(3)考虑生物腐败气体污染的需风量：基于气体稀释理论，计算稀释或排除生物腐败气体所需风量，并以此为依据对初步设计需风量进行修正，得到最终管道检修期的总设计需风量；
(4)管道检修期通风数值模拟：建立管道检修期通风三维非稳态数学模型，并模拟管道检修期通风风流场的发育情况以及污染物的迁移规律。
2.根据权利要求1所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(1)中，所述生物包括淡水壳菜、河蚬和囊螺中的至少一种；所述刺激性气体或毒害气体包括NH3、H2S、CH4、CO中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(2)中，生物腐败气体释放速率方程拟合：结合生物动力学模型，对所述生物腐败气体的浓度、生物密度和腐败时间数据进行处理，得到生物腐败气体的释放速率方程。
4.根据权利要求3所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，所述生物动力学模型包括Gompertz模型、Huang模型、Baranyi模型和Logistic模型中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，所述生物动力学模型为Gompertz模型；
Gompertz模型为：
Figure FDA0002996633120000021
所述生物腐败气体的释放速率方程为：
Figure FDA0002996633120000022
其中，N(t)为t时微生物的对数值lgCFU，g；Nmax为微生物的最大值lgCFU，g；N0为初始值lgCFU，g；k为微生物生长的最大比生长速率，s-1；λ为微生物生长的延滞时间，s；C为刺激性气体或毒害气体的浓度，mg/m3；M为生物质量密度，mg/m2；t为时间，s。
6.根据权利要求1～5任一项所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(3)中，所述初步设计需风量包括检修人员的所需风量和稀释检修机械污染物的所需风量。
7.根据权利要求6所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(3)中，所述检修人员的所需风量的计算公式为：Qreq1＝knq；
所述稀释检修机械污染物的所需风量的计算公式为：Qreq2＝Hsqsαs；
所述稀释或排除生物腐败气体所需风量的计算公式为：Qreq3＝f(C)；
所述最终管道检修期的总设计需风量的计算公式为：
Q0＝max(Qreq1,Qreq2,Qreq3)；
其中：Qreq1为检修人员的所需风量，m3/s；Qreq2为稀释检修机械污染物的所需风量，m3/s；Qreq3为稀释或排除生物腐败气体的所需风量，m3/s；Q0为管道检修期的的总需风量，m3/s；C为刺激性气体或毒害气体的浓度，mg/m3；Hs为机械总功率，kw；qs为检修机械单位功率所需的通风量，m3/(kw·min)；αs为机械平均工作效率；k为风量备用系数；n为检修人员的最大人数；q为检修人员每人每分钟需要得新鲜空气量。
8.根据权利要求7所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(4)中，所述通风三维非稳态数学模型包括连续性方程、动量守恒方程和组分运输方程中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，
所述连续性方程为：
Figure FDA0002996633120000031
所述动量守恒方程为：
Figure FDA0002996633120000032
所述组分运输方程为：
Figure FDA0002996633120000033
其中：ρ为密度，kg/m3；ui(i＝1,2,3)分别为流体相在x，y，z三个方向的风速，m/s；SC为动量源项；cs为管道内污染物体积分数，％；Ds为该组分的扩散系数；t为时间，s。
10.根据权利要求9所述的考虑生物腐败气体污染的输水管道检修期通风数值模拟，其特征在于，步骤(4)中，管道检修期通风数值模拟：建立管道检修期通风三维非稳态数学模型，并采用k-ε湍流模型对输水管道内的湍流流动进行模拟，获取管道检修期通风风流场的发育情况以及有害气体扩散迁移规律。
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US3982330A (en) * 1975-08-06 1976-09-28 Bituminous Coal Research, Inc. Method and apparatus for simulating in a model the disbursement of gas and dust in a mine
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