陳文 吳張永 徐初旭

摘 ?要： 豎管跌水井內(nèi)部設(shè)有消能池。雨水或生活廢水在消能池內(nèi)產(chǎn)生紊動射流，在射流過程中，射流液體通過紊流、混摻、擴(kuò)散與周圍液體進(jìn)行能量交換，起到消能作用。為探討跌水井直徑、入口支管管徑水墊深度對消能池的消能性的影響。對不同結(jié)構(gòu)的豎管跌水井，建立數(shù)學(xué)模型，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）流體仿真跌水射流過程，確定跌水井的最小水墊深度，以水流在跌水井底部垂直速度為零作為標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型與CFD仿真結(jié)果接近，當(dāng)流量小于0.147 m3?s時，500 mm水墊深度足夠消去跌水動能，減少跌水對跌水井底部產(chǎn)生的垂直動量。

關(guān)鍵詞： 跌水井;水墊深度;數(shù)值模擬;CFD;紊動射流;消能

中圖分類號： TP271 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.037

本文著錄格式：陳文，吳張永，徐初旭，等. 基于CFD對豎管跌水井結(jié)構(gòu)與消能性設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（01）：170174

【Abstract】： The energy dissipation tank is arranged inside the vertical pipe water-drop well. Rainwater or wastewater go through a water-dropping process， producing a turbulent jet inside the energy-dissipating pool. During the turbulent jet process， the jet fluid exchanges momentum and energy with the surrounding liquid through turbulence， mixing， and diffusion， so as to reduce the velocity of the jet fluid and reduce the energy of the jet fluid， thereby dissipating energy. For the different vertical pipe water-drop well structure， the water cushion depth has an effect on the energy dissipation. In order to explore the minimum water cushion depth of the falling water well， establish a mathematical model， and use the CFD （Computational Fluid Dynamics） fluid to simulate the falling water jet process. The results show that the mathematical model is close to the CFD simulation results. When the flow-rate is less than 0.147 m3?s， the 500mm water cushion depth is enough to eliminate the kinetic energy of the falling water and reduce the vertical momentum generated by the falling water to the bottom of the water-drop well.

【Key words】： Water-drop well; Water cushion depth; Simulation; CFD; Turbulent jet; Energy dissipation

0 ?引言

跌水井為內(nèi)部有消能措施的檢查井，跌水井的消能措施將消減水流速度，起到消力作用。目前常用的跌水井形式是豎管式和溢流堰式[1-3]。依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》，采用豎管式跌水井且入口管徑大于600 mm時，則一次跌水水頭高度應(yīng)按水力計算確定[3-4]。季山等人初步探討了豎管式跌水工程的結(jié)構(gòu)計算和水力計算，為豎管式跌水的消能率計算奠定基礎(chǔ)[5]。

借鑒水壩跌水消能方式的理論分析方法和實驗方法，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）流體仿真，對跌水井進(jìn)行結(jié)構(gòu)與消能性研究?，F(xiàn)有基本跌水消能方式主要有：底流、面流、挑流、戽斗消能。底流消能是使用最多的消能方式，底流消能的主要特征是紊動射流，射流通過紊動、擴(kuò)散和混摻與周圍水體進(jìn)行動量和能量的交換，起到消能效果[6-8]。

劉沛清等人分析了水平底板的水躍主要特征，以及水墊塘內(nèi)淹沒沖擊射流的基本特征，并得出有關(guān)的經(jīng)驗公式[9，10]。李天翔通過試驗得出淺水墊消力池的躍后水深計算公式和消能率公式，分析不同來流條件和淺水墊深度對消能率的影響[11]。蘇沛蘭等人揭示了淺水墊消力池的流速分布、壓力分布等水力特性，發(fā)現(xiàn)淺水墊消能池有利于降低流速，消能效果顯著[12]。李連俠等人發(fā)現(xiàn)消力池進(jìn)口形式對水墊深度影響較大[13]。

1 ?數(shù)學(xué)模型計算方法

假設(shè)控制體內(nèi)流體是連續(xù)且不可壓縮流體，流體運動過程中僅受重力作用，跌水過程不發(fā)生摻氣現(xiàn)象。跌水井消能數(shù)學(xué)模型由孔口自由出流模型和圓形紊動射流模型組成。以跌水井處在滿負(fù)荷工況下，計算跌水井消能池水墊最小深度。

1.1 ?跌水井結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)計參數(shù)

跌水井結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)計參數(shù)如圖1， 為流體孔口出流速度， 為圓形紊動射流初始速度， 為入口支管管徑， 為圓形紊動射流初始截面直徑， 為水墊深度， 為跌水水頭， 為跌水井直徑。依據(jù)劉達(dá)等人對不同入流角度對水墊消力池水力特性的影響[15]，設(shè)流速 的方向垂直水墊液面。

3 ?CFD驗證計算

劉達(dá)等人采用大渦模擬方法對淺水墊消力池進(jìn)行數(shù)值模擬，得到消力池內(nèi)的流速、時均壓力及脈動壓力等水力參數(shù)，并探究不同入流角度對淺水墊消能性的影響[14-15]。褥勇伸等人用三維 紊流模型對淺水墊消力池的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)淺水墊消力池可以有效降低臨底流速及提高消能效果[16]。

使用ANSYS FLUENT軟件，采用CFD模擬仿真圓形紊動射流過程，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 模型[17-18]。依據(jù)表4的計算結(jié)果，選取四種跌水井型號中水墊深度最大時的跌水井結(jié)構(gòu)，設(shè)水墊深度 ，仿真跌水過程中圓形紊動射流速度矢量圖。

3.1 ?圓形紊動射流二維圖及其網(wǎng)格劃分

跌水消能過程簡化成圓形紊動射流，CFD計算采用二維模型劃分網(wǎng)格，采用四邊形單元，劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分質(zhì)量檢查結(jié)果為0.4～1。

3.2 ?CFD仿真結(jié)果

網(wǎng)格劃分后采用CFD流體仿真，得到紊動射流速度矢量圖，如圖3所示。

4 ?結(jié)果與討論

建立跌水井消能數(shù)學(xué)模型，通過matlab計算出水墊厚度。采用相同計算參數(shù)，采用CFD對跌水井消能過程仿真，得到仿真結(jié)果。數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與仿真結(jié)果接近，已經(jīng)驗證消能池的消能性。但是，跌水在消能池內(nèi)的流態(tài)穩(wěn)定性與水躍深度仍然需要進(jìn)一步討論。

5 ?結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)^、跌水井直徑、入口支管流量不變，隨入口支管管徑的增加水墊深度需加深;

（2）當(dāng)?shù)^、入口支管流量，入口支管管徑不變，隨跌水井直徑的增大水墊深度不變;

（3）當(dāng)?shù)^、入口支管流量不變，隨入口支管管徑及跌水井直徑的增大水墊深度需加深。

（4）當(dāng)入口支管流量 、跌水水頭時 ，500 mm水墊深度可以消耗跌水對跌水井底部的垂直動量。

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