摘要：真空排水系統(tǒng)作為一類新型市政設(shè)計在部分地區(qū)已經(jīng)得到應(yīng)用。本文主要對系統(tǒng)的終端部分進行研究，建立一維水動力模型，將其分為沖水，抽吸和蓄水過程，其中沖水和蓄水過程進行機理分析，抽吸過程建立了一維非定常伯努利方程，利用Matlab＼simulink軟件對三個過程的模型進行仿真，得出的用水量大約為0.3-0.5L，與常規(guī)的重力式?jīng)_水過程所耗用的水量相比，具有顯著的節(jié)水效果。

關(guān)鍵詞：simulink；水動力模型；一維非定常伯努利方程

一.簡介

真空排水系統(tǒng)[1]是將真空環(huán)境下所產(chǎn)生的壓力梯度運用在排水系統(tǒng)中，通過壓力的作用進行污水的輸送與收集工作，減少人力與資源的浪費[2]。與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)相比，真空排水系統(tǒng)作為一種新型節(jié)能污水收集系統(tǒng)，有效解決了管道相對較長較深以及需設(shè)置大量提升泵站而帶來的高成本問題，具有著廣泛的應(yīng)用空間[3]。真空排水終端的主要作用是收集用戶所產(chǎn)生的的各種廢水，通過重力管道將污水收集至臨時的儲存容積中，再間歇放至真空管網(wǎng)的序批收集裝置。所適條件廣泛，但是該系統(tǒng)技術(shù)條件并不成熟，應(yīng)用也僅局限于經(jīng)濟發(fā)展迅速的高科技場所。[4]因此，本文通過研究真空排水系統(tǒng)中的終端部分，為后續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

二.一維水動力模型

真空排水終端其主要工作流程示意圖如圖1。Tw表示沖水過程，Ts表示抽吸和蓄水過程。曲線表示了水量的變化過程示意。

以由某地的排水系統(tǒng)為例，取相應(yīng)的參數(shù)，該系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)總共服務(wù)4個室外集水單元，采用50mm真空界面閥，每個集水單元連接兩戶，每戶的流量為0.03L/s，峰值系數(shù)2.5。設(shè)集水單元工作容積為50L，底面積0.1m3，上下也為高差為0.5m。設(shè)真空泵抽氣量為65L/s，對其進行仿真模擬分析。在沖水過程中，僅有水閥開啟，聯(lián)立式（1）（3），可解得沿流線水面位置至界面閥的距離隨時間的變化，進而得到存水量A1。在污水抽吸過程，界面閥開啟，該過程的流動狀態(tài)主要取決于便器的流道形狀及系統(tǒng)真空度，由式（8），可得到關(guān)于流線水面位置至界面閥的距離隨時間的變化，進而得到存水量A2。在蓄水過程中，聯(lián)立式（9）（10），可解的流線水面位置至界面閥的距離隨時間的變化，進而得到存水量A3。將整個模型在simulink中進行仿真，模塊分為四個字庫：元素子庫，源子庫，傳感器子庫以及控制器子庫。除控制器庫由simulink基本模塊搭建外，其余庫均由simscape進行編寫。建立simulink模型如圖4所示。

Simulink求解器采用ode23中剛度微分方程求解器，最大最小步長程序自動確定，進行時長為10min的模擬。得到的結(jié)果如圖5所示

由matlab仿真結(jié)果，得出A1+A2+A3≈0.4L，進行多次的仿真運算，其結(jié)果在[0.3-0.5]L范圍內(nèi)。由查閱資料得，傳統(tǒng)的重力式管道排水系統(tǒng)一次排水需要6-8L，真空排水系統(tǒng)的終端部分有效地解決了廁所的節(jié)水問題。

四.結(jié)論

（1）本文通過對真空排水系統(tǒng)的終端部分的仿真模擬，可以看出其節(jié)水的效果顯著的作用，因此，只要未來能夠逐漸縮小其利用成本，可以在部分試點地區(qū)進行推廣。

（2）本文的亮點和創(chuàng)新點在于對該系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并且進行仿真分析，為該系統(tǒng)的節(jié)水顯著的優(yōu)點提供了理論基礎(chǔ)，將真空排水系統(tǒng)由定性分析到定量計算，為該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行管理提供參考。

（3）本文對該系統(tǒng)建立的模型，進行了近似的模擬，采用的是面向物理對象的建模方法，在matlab＼simulink平臺上進行了可視化建模和動態(tài)模擬。該方法同樣適用于其他流體真空問題，代碼具有可移植性。

（4）在該仿真平臺下，通過合理設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，可以適應(yīng)與其他地區(qū)的排水系統(tǒng)的仿真模擬。對于系統(tǒng)存在的管道堵塞，和設(shè)備故障等不確定因素，也可以構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險評價體系，以適應(yīng)后期的大型排水系統(tǒng)工程。

參考文獻：

[1]邵佳，單立軍.真空排污系統(tǒng)的選型分析[J].能源與節(jié)能，2017，（05）：105-106+127.

[2]張志寶.真空管道配管的設(shè)計與分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017，16（19）：63-64.

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

[4]陳緒勇.真空管道磁懸浮列車空氣動力學(xué)問題仿真分析[D].西南交通大學(xué)，2013.

作者簡介：

胡哲（1997年7月-）男，漢，江西省九江市，身份證號：360402199707285239，本科生，研究方向：水利水電工程