基于FLUENT的排水管网优化设计研究——以广安武胜县某工业园区为例

张 博，熊春梅，雷丽萍

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756)

排水管网是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例占整个排水系统投资的70 %～80 %[1]，在对排水管网水力参数设计中，尤其是管径的规格的选择尤为重要，其大小决定了用料多少，关系着直接工程费用。因此，对排水管网的管径进行优化，对降低工程投资费用有着重要的意义。

市政排水管网优化设计主要从两个方面入手。一是管网定线，即排水管网的平面布置优化研究，主要有遗传算法[2-5]、蚁群算法[6-9]、人工神经网络法[10-12]等；二是在给定平面布置方案下，排水管径、埋深及提升泵站的优化设计。在这一方面，很多学者做出了大量的研究。李贵义[13]介绍了拟差动态规划法进行管径-坡度优化设计，并合理设置了提升泵站的位置，对如何确保全局最优进行了讨论。刘遂庆[14]提出了排水管网优化坡度设计，将多管段排水管网归纳为能量连续的排水设计管段。建立排水管网优化设计坡度数学模型，求解各管段的经济坡度和优化管径。彭永臻、张自杰等人提出了两相优化法[15]，以流速为变量，从而确定最优管径和坡度。前者提出的这些方法，在面对大型或中型排水管网优化上，优势比较大。但是在小型管网，例如工业园区排水管网的设计和优化上面，由于地势相对平坦，坡度变化不大，并且管线长度很短，所以影响管网工程造价的主要是管径。对此，在最优管径的选择过程中，笔者引入了FLUENT软件对管段流体的流动状态进行模拟，得到压力图和流速图，从图像中直观的观察到流体在管道里的流动状态，从而确定最优管径。

FLUENT软件可以模拟不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。它能推出多种优化的物理模型。随着计算流体力学的不断发展，FLUENT软件在水力学方面得到大量的运用，Salaheldin[16]对垂直圆墩周围的三维流场进行了计算机模拟，得出了流体对圆墩的压力曲线。Prasanta K.S[17]运用FLUENT软件模拟了C型管中的气体流动状态和性质。邱立杰等[18]基FLUENT软件对90 °圆形弯管进行了三维数值模拟，对比不同初始速度下弯管内部流场，找出了压力场和速度场变化规律及影响。目前，尚未有FLUENT软件在排水管道优化设计中的应用研究。

1 工程设计与运行

现有广安市武胜县某工业园区内有一段2.2 km的排水管道建设，设计排水面积比流量拟采用1.2 L/(s·ha)，污水总变化系数Kz由Kz=2.7/q0.11计算。

1.1 水力计算约束条件

在进行优化设计的时候需要综合考虑各种约束条件，设计规范中规定了如下约束条件[19]：

(1)充满度(H/D)不大于相应管径的最大设计充满度，即管径为200～300 mm、350～450 mm、500～900 mm、1 000 mm及1 000 mm以上时，其最大设计充满度分别为0.55、0.65、0.70和0.75。

(2)在街道下应采用的最小管径为300 mm，其最小设计坡度为0.003；在街坊和厂区内的最小管径为200 mm，相应的最小设计坡度为0.004。

(3)非金属管道的最大设计流速为5 m/s，金属管道的最大设计流速为10 m/s。

(4)随着设计流量的逐段增加，其流速也应相应增加，如设计流量不变，流速也不应减小，包括旁侧管中的流速不应大于其接入的干管中的流速。只有当坡度大的管道接到坡度小的管道且下游管段的流速已大于等于1.2 m/s(混凝土或钢筋混凝土管)的情况下流速才允许减至 1.2 m/s。

(5)无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道 ，管底可埋设在冰冻线以上0.15 m。在车行道下管顶最小覆土厚度不宜小于 0.7 m。

(6)排水管道间一般宜采用水面或管顶平接的连接方式。无论采用哪种方式，下游管段起端的水面和管底标高都分别不得高于上游管段末端的水面和管底标高。

1.2 水力计算

计算中涉及以下公式：

式中：Q为流量；D为管径；V为流速；H/D为充满度；I为坡度；θ为管道过水断面夹角；n为粗糙系数。

(1)对于地面坡度较小或很平缓的常见地形下的管道计算，首先选择一个满足约束条件的尽可能小的设计流速Vi。

(2)根据设计流量Q和流速Vi初步选择符合要求的最小管径Di，再计算出θ，从而可以得到充满度。

(3)当计算出的充满度H/D不符合规范要求时，增加管径规模，重复步骤2)。通过各种水力条件输入FLUENT软件中模型，检验流体在不同管径和充满度下是否能正常流动。筛选出可以正常流动的管径-充满度的组合。

(4)比较各组管径，选取管径最小的组合。其后，用已知参数V、D和θ，求出管道坡度I，再进行该管段高程和埋深的计算。

截取该工业园区排水管道中某一管段进行管径优化选择，已知该管段设计流量，确定一个经济流速，改变管径尺寸，得到表1。

表1 水力参数

1.3 利用FLUENT进行验证

针对排水管道，利用FLUENT软件对管道内部液体流动情况进行数值模拟，在给定特有雷诺数的前提下，分析管道内部的流场并找出其变化规律，以验证在不同管径下流体的速度场和压力场的变化，流体是否能正常流动。在研究过程中，标准k-ε湍流模型是一个半经验公式，RNGk-ε湍流模型[20]是从暂态Navier-Stokes方程中推出的公式，具有解析性。为了提高可靠性及精确度，固采用RNGk-ε湍流模型处理了管道近壁面流体的流动情况。

1.3.1 模型设计和网格划分

管道编号1的充满度达到0.96，明显不符合要求，故排除。现应用前处理GAMBIT软件选取上述管道编号2构建几何结构模型，该管道直径D为400 mm，管长为245 m，充满度为0.65。对其进行网格划分，生成计算节点，生成的网格为六面体结构化网格，网格总数30 3961个。管道非满流情况下网格划分图如图1所示。

图1 排水管道计算域网格模型

1.3.2 仿真与计算

排水管道中的污水视为不可压缩粘性流体，其运动可用Navier-Stokes方程表示，控制方程为：

湍流动能输送方程为：

湍流动能耗散率输送方程为：

式中：αk和αε分别为k方程和ε的湍流Prandtl数；Gk表示层流速度梯度产生的湍流动能；Gb表示浮力产生的湍流动能；k为湍流动能；μeff为漩涡粘度；ε为耗散项；YM为可压缩湍流中脉动扩张的贡献；Sk和Sε为定义的源项；Rε为ε方程中的附加源；C1ε=1.42；C2ε=1.68；αk=αε=0.7194。

将网格模型导入FLUENT软件中，设置上述各项参数(表2)模拟出流体的流动状态，得到压力图和流速图(图2、图3)。

通过观察发现从管壁面到水面流速从小变大，总体变化区间很小，由1.19m/s到1.5m/s，其中流体大部分流速趋近在1.46m/s附近。分析得知：管壁有粘聚力导致流体的流速减小，流体表面与空气接触无粘聚力导致流体的流速适当增加。从压力图可以看出从入口到出口处压力由大变小，同时流体也是正常流通，并无淤积和涡流现象。通过选取约束条件下合适管径的最小管径的数据代入FLUENT软件中进行模拟计算，证明流体能正常通过管道。故选取400 mm作为该管段的管道直径。

表2 输入参数

图2 管长与压力关系

图3 管长与流速关系

2 工程效益分析

通过上述方法证明，此方法可行，并能运用到排水管网工程设计中。现对广安市武胜县某工业园区排水管网整个管段进行优化分析，该工程直接投资36.21万元，其中管材费用22.28万元。对优化前后的设计数据分析得到表3、表4。

表3 广安市某工业园区设计资料

表4 改进优化后的设计结果

比较表3与表4的结果可知，在满足约束条件下，表4管径和坡度均比表3中要小。采用该方法计算得出的结果，管材费用由原先的22.28万元减少到18.17万元，降低了18.4 %。并且从坡度变化中可以看出表4明显比表3降低很多，埋设深度的降低也大幅减低了工程造价。

3 结论

(1)在地势变化不大的平坦地区进行排水管网优化设计的过程中，管材费用占工作造价的主要部分，因此管径规格的选择尤为重要。在管径选取的过程中运用FLUENT软件对管道的流体状态进行模拟，通过观察流体的速度变化图和压力变化图，得到了保证流体正常通过管道的最小管径，从而确定了最优管径。

(2)基于FLUENT软件对广安市某工业园区排水管网原设计方案进行管径优化，管材费用从22.28万元减少到18.17万元，费用降低了18.14 %。证明该方法对坡度相对平缓地区的排水管网设计具有减少工程造价的作用。