1、200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 1 页装订线摘要污水处理要求运行平稳，各种运行参数都好控制，以降低运行成本。在此过程中，调节池的作用尤为突出。调节池是指调节水量和水质的构筑物，它的作用是对水量和水质的调节，调节污水 pH 值、水温，有预曝气作用，还可以用作事故排水。本课题通过改进已建立的泵提升式调量池的数学模型进一步研究进水量发生变化时调量池水位以及泵的出流量随时间的变化过程。通过实体模型实验研究数学模型中涉及到的、可能对泵的出流量产生影响的因素，并验证推导的数学模型的可行性。本课题通过实验和模拟得出的结论，对现有池型进行改造和分析，发现可能存
2、在的问题，并提出改进措施，完成泵提升式调量池的优化设计。根据实验结果，得出以下结论：（1）建立了进水量发生变化时调量池水位以及泵的出流量随时间的变化的数学模型；（2）调量池的水位与管道 S 值是影响泵出流量的重要因素；（3）根据数学模型，工程实际中应使泵在其高效段出水；（4）工程实际中泵提升式调量池的池底面积尽可能大一些；（5）根据数学模型表达式是否有意义可以估计泵提升式调量池可以调节的水量范围。关键词：泵提升式调量池、水量波动、稳定出流、数学模型、仿真模拟200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 2 页装订线AbstractSewage disposa
3、l requires smooth operation and all kinds of operation parameters are under good control in order to reduce operation cost. During the process, the role of regulating pondage is excessively outstanding. Regulating pondage is one kind of structure that can be used to regulate water quality and quanti
4、ty, sewage pH value, water temperature and preaeration. It also can be used to accident drainage. By improving the mathematical model of pump ascension adjustable volume pool that has been established, we research the change process of water level and pump discharge when the water inflow varies from
5、 the time. Through entity model experiment we research factors that possibly affect the pump discharge that is related to the mathematical model. And we also validate feasibility of the mathematical model.According to the conclusion from experiment and simulation, we can analysis and improve existin
6、g pool type, find potential problems and propose improvement measurements in order to complete optimal design of pump ascension adjustable volume pool.According to the result of experiment, the conclusions are as follows: (1) We have established a mathematical model that describes the change process
7、 of water level and pump discharge when the water inflow varies from the time.(2) The water level of adjustable volume pool and S value of the tunnel are the important factors that can affect pump discharge;(3) According to the mathematical model, in the project, the pump should work in efficient st
8、age。(4) In the project, the bottom acreage of adjustable volume pool should be as big as possible.(5) According to whether the mathematical model is meaningful, we can estimate the flow range that the adjustable volume pool can regulate.Keywords: pump ascension adjustable volume pool; water fluctuat
9、ions; stability of the flow; mathematical model; analogue simulation200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 3 页装订线目录摘要 .11. 绪论 .51.1. 世界水资源现状 .51.2. 我国水资源现状及水污染治理 .51.3. 调节池的研究背景 .51.4. 调节池的研究现状 .61.4.1. 调节池有效容积的计算 .61.4.2. 调节池水力特性的研究 .81.5. 调节池的分类 .101.5.1. 水质调节池 .101.5.2. 水量调节池 .111.6. 课题研究内容和意义
10、.132. 泵提升式调量池数学模型的建立 .152.1. 数学模型与数学建模 .152.2. 调节池的数学建模 .152.3. 泵提升式调量池数学模型的建立 .163. 泵提升式调量池实体模型实验 .213.1. 实验目的 .213.2. 实验原理 .213.2.1. 离心泵装置的工况点 .213.2.2. 离心泵出水流量的改变 .233.3. 实验装置与实验器材 .243.3.1. 实验器材的选用 .243.3.2. 实验所需材料表 .253.3.3. 实验装置的连接 .263.4. 实验准备 .273.5. 具体实验部分 .273.5.1. 初始进水量 下泵的工况点的测定 .2710Q3.
11、5.2. 静扬程的变化对泵出流量的影响 .323.5.3. 管道闸阀调节对泵出流量的影响 .383.5.4. 进水流量呈矩形波变化时调量池水位与泵出流量的变化情况 .453.6. 基于 LabVIEW 的仿真模拟 .483.6.1. LabVIEW 及其在工程上的应用 .483.6.2. 使用 LabVIEW 模拟进水流量呈矩形波变化时泵出流量随时间变化的关系 .493.6.3. 使用 LabVIEW 模拟调量池面积变化时泵出流量随时间的关系 .50200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 4 页装订线结论和建议 .52致谢 .54参考文献 .55英文翻
12、译 .56200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 5 页装订线1. 绪论1.1. 世界水资源现状地球的储水量是十分丰富的，其总量约 138 亿 km3，适宜人类享用的仅为0.01。20 世纪 50 年代后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源 1。随着社会的发展，世界许多地方人均用水不足的问题日益恶化，水资源正在因为世界人口增加、环境污染和气候变化而逐步减少，全球水危机将达到空前的水平 2。因此，世界各国应联合起来,共同应对这场迫在眉睫的水危机 3。解决全球水危机
13、问题刻不容缓。1.2. 我国水资源现状及水污染治理我国是世界上严重缺水的国家之一。据统计，我国人均水资源占有量不足2200 m3，不到世界人均水资源占有量的14，全国600多个城市中有400多个供水不足 4。水资源的污染更是惊人。据了解，全国每年直接排人江河的废水达360亿t，50的水源因污染不能饮用。七大水系中黄河、松花江、辽河三大流域污严重：四大海区中渤海、东海污染严重。全国七大江河水系及太湖、滇池和巢湖中，达到或优于地面水环境质量三类标准的河段只有369；水质为四类、五类的河段达631，其中劣五类水质达到377；大淡水湖泊和城市湖泊均为中度污染；75的湖泊富营养化加剧；一些城市地下水不同
14、程度地受到污染 4。由于我国经济发展起步晚，整经济情况和法律保障都比较落后，中国水污染防治工作长期都是以加强法制教育为主，经济处罚为辅。中国水污染防治，由分散治理为主。而现在，我国正将以前的治理模式转向集中控制与分散治理相结合，实行全程控制，清洁生产，由单一的浓度控制，转向浓度控制和总量控制相结合，由区域管理为主，转向区域管理与流域管理相结合的指导思想的转变 5。1.3. 调节池的研究背景污水处理厂讲求运行平稳，各种运行参数都好控制，运行成本才能更低。若在运行过程中水质、水量随时间的变化过大，会给污水处理厂的正常运行带来困难。为了保证后续处理构筑物或设备的正常运行,需对废水的水质和水量进行调节
15、。调节水量和水质的构筑物称为调节池。在工业废水的处理过程中，污水经过格栅后就会进入调节池，它属于一级处理200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 6 页装订线工艺，对于整个废水处理的效果起到重要的作用。然而，现在的大多数的工业废水调节池都只是一个摆设或者所起的作用微乎其微。大家没有完全意识到调节池所应该在的位置。研究表明，水质水量的波动是影响污水处理工艺出水水质的重要因素之一。在工业生产过程中，由于水质水量是随着时间的推移不断的发生变化的，这就需要我们通过科学的手段降低水质水量进入主要处理工艺时的变化波动，确保废水的处理效果。不仅仅工业废水水质水量是波动
16、的，城市生活污水的产生也是随着人们生活习惯而发生变化的。用水高峰期时，污水的产生量就会增多，用水低峰时，污水出水量减少。这就对污水处理工艺的要求更加严格。现在的污水处理厂基本上没有设置调节池的。污水通过格栅等物理处理后，进行生物化学处理，再进行消毒就可以进行排放。调节池按其功能可分为均量池、均质池、混合池（均质均量）三种。其调节作用大体可分为下面几点：（1）使污水的浓度与池中的水的组成相混合，减少水质波动过大对后续处理构筑物处理效果的影响。（2）储存多余的水量，补充缺少的水量。确保处理工艺的正常运行，防止缺水和水量过大的事故发生。（3）由于在调节池内有停留时间，所以污水在其中也发生了生物化学反
17、应，从而降低了出水的污染质的浓度。从而提高了污水的处理效果。（4） 由于固体负荷越于稳定，因而可改善二沉池出水水质以及浓缩性能，使滤池反冰洗周期更加均匀。（5）对于曝气搅拌型的调质池还起到预曝气的作用 6。1.4. 调节池的研究现状目前学术界对调节池的研究较少，主要集中在调节池有效容积的计算上以及研究调节池对水质水量的调节效果上。现在结合数学模型研究上述问题已经成为一种普遍趋势。1.4.1. 调节池有效容积的计算确定调节池的最小有效容积是调节池工艺计算的主要内容。这个池容是在完全混合条件下的理论计算值,其大小由水质、水量的不均匀特性和后续工艺对水质及水量均化的要求决定。给出水质均化池最小有效容
18、积的计算方法其意义不仅在于它对工艺设计中确定水质均化池容积是必要的;并且计算所得出水水质的时序数据,还可作为后续工艺进水的时序数据和工艺模拟的基础。水质均化池有效容积的传统计算方法主要有直观计算法、概率统计法和有限差200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 7 页装订线分法等等。下面简单的介绍一下这些方法：（1）直观的计算方法现行水质均化池容积计算方法一般是:取浓度较大的若干时间段内进水体积之和作为理论容积,取这段时间内废水的平均水质数据为其均化出水的水质指标最大值;在确定水质均化池的实际设计容积时,要考虑到池中废水流态不能完全符合瞬间完全混合的理论假设
19、,对理论计算容积作经验校正后即得设计所需均化池实际容积。从总体上看,现行设计方法属于直观简便的方法,由于它没有体现出废水流量和浓度大小变化特征及水质水量变化特殊趋势的相互关联这两个基本因素,因而致使直观的方法很难做到合理地确定水质均化池容积。（2）其它均化池容积计算方法概率统计法:当废水流量接近常数且废水水质为随机分布时可用概率统计方法确定均化池的池容。显然,废水的不均匀特性符合一定随机规律的情况是不多见的,因此概率统计方法的适用范围较小。有限差分法:在连续流完全混合条件下,各种不均匀特性的废水进行定容积均化或变容积均化时,可对其混合过程数学模型用有限差分法求解。使用求得的浓度迭代式,取不同的
20、池容作多次尝试以考察浓度的均化程度是否满足要求,刚好能满足要求的池容即为均化池最小有效容积。这两种计算方法都可以更稳定且准确地算出水质均化池的理论容积。可以通过建立数学模型的方法更简捷准确地计算调节池的有效容积。这种方法可以计算恒水位调节池和变水位调节池的有效容积。因为恒水位调节池不具备调节水量的功能，与本实验无关，因此只介绍变水位调节池有效容积的计算。变水位水质均化池与恒水位水质均化池相比有两点不同:其一是池内存水体积是变化的;其二是出水按照水量均化的要求应是均匀的,流量为 q。 如图1-5所示。iV第 i 时段：进水第 i+1 时段：出水,iqc 1,iqCVi，C iVi+1，C i+1
21、200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 8 页装订线图1-1 变水位水质均化池时段变化示意物料衡算式:(1)111iiiiVqttcCV整理,得:(2)1iiitq和 两个迭代式即为变水位水质均化池迭代计算数学模型。iV1i给出 （i=0,1,2，n-1） ， ,则由式(1) ,式(2) 迭代计算,可,c 0,tVC得 7。1iiC和1.4.2. 调节池水力特性的研究1.4.2.1.直管式调量池一级数学模型目前已建立大气短管自由出流调节池的一级数学模型。图1-6为典型的大气中短管自由出流调节池的示意图。在初始平衡条件下： 201Q进水量突然增加时，达到
22、新的平衡条件： ,水位维持在 。两种水量平1H衡下的流量公式分别为： (1)、20011cAgH （2）(3)cld 200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 9 页装订线式中 是短管特性参数。由式（2）、（1）得流量与水位的对比关系式为：c(4)0210HQ0H1进水 10()出水 201()Q池面积 0A图1-2 大气中短管自由出流调节池示意图调节池特征参数包括调节池的水深、面积、出水短管特性、调节时间等。取任意t时刻下。当 突然增大时，调节池水位逐渐上升到H，取dt时间微元，设池的面10Q积为 ，进水流量为 ,水位上升为dH，则调节池水量平衡的微分
23、关系如下：cA12ccAdQtAgHdt（5）整理得出：200m/h 水泵提升式调量池建模与设计 毕业设计(论文)说明书共 63 页 第 10 页装订线12cAdtdHQg（6）取初始条件t=0，H=H 0，对式（6）积分：012tHcddAg（7）整理得出下式：1002 2()lncc QAgHAtg（8）1213ln(2)ctkHgk（9）其中低流量平衡时的进出水流量， ；102,Q3/mh大流量调节过程中的进出水流量， ；调节池、出水短管面积， ；,cA2低流量、大流量平衡时调节池水位， ；01H大流量调节过程中某瞬时水位、水位变化量， ；,d m出水短管阻力系数。W公式（8）包含了调节池的所有特性参数， 只取决于调量池和出水管的123,k设计参数，对于已知的调节池为常数。公式（8）和公式（4）一起称为调节池特征公式 8。本设计将建立泵提升式调量池的数学模型并通过实验验证数学模型。1.4.2.2.已建立的泵提升式调量池数学模型此前张孝燕学姐在她的毕业设计论文中已经建立了泵提升式调量池的数学模型。其表达式如下： 2121)(KQeHM
