基于simulink仿真的真空排水终端设计研究

摘要：真空排水系统作为一类新型市政设计在部分地区已经得到应用。本文主要对系统的终端部分进行研究，建立一维水动力模型，将其分为冲水，抽吸和蓄水过程，其中冲水和蓄水过程进行机理分析，抽吸过程建立了一维非定常伯努利方程，利用Matlab＼simulink软件对三个过程的模型进行仿真，得出的用水量大约为0.3-0.5L，与常规的重力式冲水过程所耗用的水量相比，具有显著的节水效果。

关键词：simulink；水动力模型；一维非定常伯努利方程

一.简介

真空排水系统[1]是将真空环境下所产生的压力梯度运用在排水系统中，通过压力的作用进行污水的输送与收集工作，减少人力与资源的浪费[2]。与传统排水系统相比，真空排水系统作为一种新型节能污水收集系统，有效解决了管道相对较长较深以及需设置大量提升泵站而带来的高成本问题，具有着广泛的应用空间[3]。真空排水终端的主要作用是收集用户所产生的的各种废水，通过重力管道将污水收集至临时的储存容积中，再间歇放至真空管网的序批收集装置。所适条件广泛，但是该系统技术条件并不成熟，应用也仅局限于经济发展迅速的高科技场所。[4]因此，本文通过研究真空排水系统中的终端部分，为后续发展提供理论基础。

二.一维水动力模型

真空排水终端其主要工作流程示意图如图1。Tw表示冲水过程，Ts表示抽吸和蓄水过程。曲线表示了水量的变化过程示意。

以由某地的排水系统为例，取相应的参数，该系统如图3所示。系统总共服务4个室外集水单元，采用50mm真空界面阀，每个集水单元连接两户，每户的流量为0.03L/s，峰值系数2.5。设集水单元工作容积为50L，底面积0.1m3，上下也为高差为0.5m。设真空泵抽气量为65L/s，对其进行仿真模拟分析。在冲水过程中，仅有水阀开启，联立式（1）（3），可解得沿流线水面位置至界面阀的距离随时间的变化，进而得到存水量A1。在污水抽吸过程，界面阀开启，该过程的流动状态主要取决于便器的流道形状及系统真空度，由式（8），可得到关于流线水面位置至界面阀的距离随时间的变化，进而得到存水量A2。在蓄水过程中，联立式（9）（10），可解的流线水面位置至界面阀的距离随时间的变化，进而得到存水量A3。将整个模型在simulink中进行仿真，模块分为四个字库：元素子库，源子库，传感器子库以及控制器子库。除控制器库由simulink基本模块搭建外，其余库均由simscape进行编写。建立simulink模型如图4所示。

Simulink求解器采用ode23中刚度微分方程求解器，最大最小步长程序自动确定，进行时长为10min的模拟。得到的结果如图5所示

由matlab仿真结果，得出A1+A2+A3≈0.4L，进行多次的仿真运算，其结果在[0.3-0.5]L范围内。由查阅资料得，传统的重力式管道排水系统一次排水需要6-8L，真空排水系统的终端部分有效地解决了厕所的节水问题。

四.结论

（1）本文通过对真空排水系統的终端部分的仿真模拟，可以看出其节水的效果显著的作用，因此，只要未来能够逐渐缩小其利用成本，可以在部分试点地区进行推广。

（2）本文的亮点和创新点在于对该系统建立了数学模型，并且进行仿真分析，为该系统的节水显著的优点提供了理论基础，将真空排水系统由定性分析到定量计算，为该系统的优化设计和运行管理提供参考。

（3）本文对该系统建立的模型，进行了近似的模拟，采用的是面向物理对象的建模方法，在matlab＼simulink平台上进行了可视化建模和动态模拟。该方法同样适用于其他流体真空问题，代码具有可移植性。

（4）在该仿真平台下，通过合理设定相应参数，可以适应与其他地区的排水系统的仿真模拟。对于系统存在的管道堵塞，和设备故障等不确定因素，也可以构建相应的风险评价体系，以适应后期的大型排水系统工程。

参考文献：

[1]邵佳，单立军.真空排污系统的选型分析[J].能源与节能，2017，（05）：105-106+127.

[2]张志宝.真空管道配管的设计与分析[J].产业与科技论坛，2017，16（19）：63-64.

[3]YouichiYanagawa，HiromichiOhsaka，KeiJitsuiki，ToshihikoYoshizawa，IkutoTakeuchi，KazuhikoOmori，YasumasaOode，Kouhei Ishikawa.Vacuum phenomenon[J]. Emergency Radiology，2016，23（4）：.

[4]陈绪勇.真空管道磁悬浮列车空气动力学问题仿真分析[D].西南交通大学，2013.

作者简介：

胡哲（1997年7月-）男，汉，江西省九江市，身份证号：360402199707285239，本科生，研究方向：水利水电工程