折板型深隧竖井泄流消能水力特性试验研究

• 作 者: 尧远
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2021年07期
• 关键词: 城市深隧排水系统 折板型竖井 Realizable k-ε紊流模型 水力特性 结构优化

随着城市建设步伐的加快,城市内涝问题也日益严峻,受空间条件和经济因素的制约,对浅层排水管网的改造难度很大且收益较低,因此,具有海绵城市建设理念的深隧排水系统工程成为解决城市内涝灾害、消除溢流污染的主要途径。由于深隧排水系统落差较大,因此需采用竖井进行水流的运输与消能。折板型竖井是城市深隧排水系统中常用的竖井消能工之一,具有大小流量均适用,消能效果好等优点。折板型竖井是一种新型竖井消能工,目前关于该型竖井泄流消能水力特性的相关研究仍然较少,因此,论文通过物理模型试验和数值模拟,对折板型竖井内部各水力要素和消能机理进行分析,在分析水力要素的基础上对竖井的结构进行改进,最后得到折板型竖井的无量纲结构参数的合理取值。论文主要研究成果如下:(1)通过物理模型试验得出:折板型竖井中水流基本型态包括撞壁受限流,临界流和自由跌流三种。折板间距越大,折板倾角越小,水流越容易发生从自由跌流向撞壁受限流的转变,而撞壁受限流这一水流型态不利于水流的消能,在对折板间距和折板倾角进行设计时应尽量避免此种水流型态的产生。为保证竖井的结构安全,避免竖井因气压过大发生“气爆”,应在竖井顶板设置直径约为1m的排气孔。折板型竖井的最大泄流量随折板间距和折板倾角的增大而增大。(2)运用Ansys Fluent软件,采用基于VOF法的Realizable k-ε紊流模型对折板型竖井进行数值模拟,将数值模拟和水力模型试验观测的水流型态进行对比后发现,数值模拟对自由跌流这一流态的模拟结果与实际观察较为吻合,且可以清晰地观察出折板边缘处的水跃现象。数值模拟结果表明:随着折板倾角的增大,水流水平跌落距离L变短,折板间的水流分布变得更加分散,当折板倾角增加至20°时,水流中心跌落点则靠近竖井中心线,这一现象与水力模型试验观测的水流型态相吻合,进一步验证了数值模拟结果的准确性。(3)通过数值模拟,分析了折板型竖井内部流速、压强;出水管段水流型态、沿程流速、沿程压强等水力要素的分布规律,并对竖井消力井段和出水管段进行了优化。得出:入流量越大,水流从第一层折板跌落至最后一层折板的过程中流速梯度变化越大,消能效率越好;竖井内部压强从上往下逐渐增大;消力井深越大,静水压强越大,冲击压强越小且分布越均匀;当无量纲消力井深大于0.1时,继续增加消力井深度对竖井消能率的影响可忽略不计。为防止竖井出水管段发生爆裂,应在出水管段设置排气管以及时排出气体,根据出水管段水流型态的不同,可将出水管段依次划分为气液掺混区,气体逸出区,气体排出区和水流平稳区。(4)折板倾角不同时,水流在折板间的消能方式也不相同。当折板无倾角时,主要通过在竖井边壁产生的水跃进行消能,当折板有一定倾角时,水流通过在折板之间产生的较强烈的漩涡运动进行消能,而后者的消能效果要优于前者。从竖井的泄流能力和消能效果考虑,折板倾角的最优取值约为10°,无量纲折板间距的最优取值约为1.0～1.2,无量纲消力井深最优取值约为0.15。在此结构参数下,水流在折板末端的消能率可达90%以上,在竖井出口处的消能率可超过97%。