关于城市排水管道中明满交替流三维模拟的研究

2022-09-10

1. 研究背景及意义

在以往排水管道的设计中大部分以恒定无压流假设为前提, 当发生暴雨或者排水泵掉电时, 排水管道中的水位急剧增加, 管道内的气体受到压缩, 水流也由明流状态转换为满流状态, 出现了一些新的水力学问题, 由此带来的排水能力不足、压力脉动剧烈甚至管道破坏日益严重, 恒定流假设与实际存在较大差异, 传统的管道设计理论已经不能满足城市发展的需要, 亟需建立新的排水管道设计理论及方法。

排水管道正常运行时, 水流处于无压状态, 当管道流量急剧增加或排水泵掉电时, 水流由无压流转变为有压流, 即发生明满交替流现象, 相关研究表明, 自由表面流向有压流转变所引起的水力瞬变会对管道系统产生严重的危害, 往往管道破坏事故都发生在流态转换的过渡过程中。由于考虑气体作用后, 其流态极为复杂, 过渡过程中出现的明满交替流现象一直都是一个难题, 而且有些工程由于其特殊的布置条件, 发生过渡过程时, 明满流交替现象无法避免, 如城市的排水管道。

由此可见, 针对明满流现象的深入观测分析和模拟研究不仅具有重大的理论意义, 对相关工程的设计和安全运行以及工程投资也起到重要的指导作用。

2. 管道明满交替流模拟的发展动态

随着研究的深入, 很多学者纷纷选择对水流进行二维的数值模拟, 并在实际应用中取得了一定的效果, 但自然界的实际水流往往是三维的, 二维模拟难以保证相应的精度。因此随着工程要求的不断提高, 迫切需要进行更接近于实际情况的三维水流数值模拟。

本项目拟依托前期所积累的良好理论基础和实验条件, 针对管道中明满交替流现象, 综合利用水动力学、空气动力学、热力学、气液两相流理论以及瞬变流等多领域的基本理论, 通过理论推导, 建立水体与气体耦合的明满流三维计算模型, 并通过实验进行验证。

综上所述, 本研究将选择更接近于实际情况的三维模拟, 利用软件fluent, 实现对明满交替流的三维模拟。为该类工程的设计及安全运行提供基础性的技术支撑, 并推动瞬变流基础理论及其工程应用技术的科技创新。

3. 研究内容

3.1 研究方法

本项目研究建立了水气两相的VOF模型, 选择标准紊流模型, 采用控制体积法和速度压力耦合采用PISO算法对计算区域进行离散求解。

3.2 模型建立

上游水位为4.5m, 下游尾水位为2.5m, 前部分管段为有压管道, 后部分管段为无压管道。有压管段全长250m, 直径2.0m, 首端通过直径为2m的阀门控制, 有压管道内的糙率为0.015, 有压波速为1000m/s;无压管段全长250m, 渠顶高程为3m, 底坡为0, 渠道内的糙率取0.015。计算中初始工况上游阀门关闭, 即有压管道内的初始压力和无压管道内的水深均为2.5m, 计算时间步长为0.05s, 根据库朗条件, 有压管段分为5段, 无压管道分为500段。

3.3 求解结果

首先, 针对该系统进行不同时间开阀的计算。不同的开阀时间对应的管道流态也不同, 开阀越快, 管道中的流量变化越剧烈, 越容易出现明满交替流;开阀越慢, 管道中的流量变化越缓, 则无压管道中不会出现满流现象。但由于水道系统相同, 最终稳定时状态应相同。

开阀时间越短速度变化越剧烈, 断面处流速梯度以及流速变化越大, 湍流动能越大。之后我们又比较了5s、10s、20s、40s不同开阀时间条件下10s和35s后断面的压力、速度以及湍流动。在5s和10s的开阀时间条件下的断面压力、速度和湍流动能相对比较大, 并且断面压力超过管顶维持在一个较大值, 即无压流变为有压流, 断面压力远远高于管顶压力。即使是在35s过后, 5s与10s的开阀时间条件下的速度梯度都还是很大, 超过了20s和40s开阀时间下的速度梯度。

4. 结语

由研究结果可知, 当开阀时间较短时 (5s、10s) , 管段中流量变化较快, 相应渠道中的水位上升较快, 更容易出现明满交替流的现象。而在城市排水系统中, 特别是暴雨过后, 大量水涌入排水管道中, 正如在短暂开阀时间下的无压管道的充水过程。为此, 城市排水管道的设计应当考虑有压力的情况, 而不应当仅仅考虑无压的情况设计排水管道。

摘要：城市内涝问题, 已成为城市发展面临的主要问题之一。在以往排水管道的设计中大部分以恒定无压流假设为前提, 当发生暴雨或者排水泵掉电时, 排水管道中的水位急剧增加, 管道内的气体受到压缩, 水流也由明流状态转换为满流状态, 由此带来的排水能力不足、压力脉动剧烈甚至管道破坏日益严重, 出现了新的水力学问题。本文将从排水管道中明满交替流三维模拟的问题入手, 对排水管道中非恒定流现象以及管道破坏机理等问题进行深入细致的探索, 以此对城市排水管道的建设提出建议。

关键词：城市排水管道,明满交替流,三维模拟