蘆三強(qiáng),喬時(shí)雨

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

跌流豎井作為水利工程及市政排水系統(tǒng)中廣泛使用的輸水建筑物之一,主要用于將上游海拔較高處管道中的水流轉(zhuǎn)移到下游海拔較低的排水管道中[1-2]。不同于旋流豎井[3]、折板豎井[4]等其他類型豎井的進(jìn)水方式,跌流豎井中水流從進(jìn)水管處以水舌的形式直接自由跌落,水舌撞擊井壁后會(huì)在進(jìn)水管附近形成一個(gè)水體阻隔區(qū)域,造成豎井內(nèi)通氣不暢、負(fù)壓過大以及卷吸氣量過多等問題[5-8]。

跌流豎井內(nèi)負(fù)壓過大會(huì)引發(fā)一系列問題,如排污管道中氣體流通的空間被加壓,會(huì)導(dǎo)致排污系統(tǒng)中產(chǎn)生的一些臭氣從一些地表開口逸散到外界環(huán)境中[9-10];在極端暴雨天氣下還可能會(huì)引發(fā)井噴,沖起的井蓋在下落時(shí)可能會(huì)砸傷行人和引發(fā)交通事故等[11-12]。為了降低水舌引起的負(fù)壓過大問題,蘆三強(qiáng)等[13]在跌流豎井進(jìn)水管附近布置了一個(gè)有旋分流隔板,目的是改變下落水流的流動(dòng)方向,使水流圍繞隔板兩側(cè)旋轉(zhuǎn)流動(dòng),同時(shí)隔板中間形成了一個(gè)不過水的空腔區(qū)域,能有效防止水舌束窄氣體流通的空間。龔旭[14]在進(jìn)水管與立管交匯處上方放置了一個(gè)擋板,其目的是調(diào)節(jié)進(jìn)水管中跌落水舌的入流角度,使水舌直接撞擊到擋板上而不是管壁上,從而在進(jìn)水管附近保留一定氣體流通空間。以上關(guān)于跌流豎井進(jìn)水管附近的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)都發(fā)生在豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)部,盡管能起到一定的通氣和調(diào)節(jié)氣壓的作用,但是由于占據(jù)了部分水體流通的空間,影響了豎井的過流能力,同時(shí)也不利于后續(xù)檢修作業(yè)等。

本文基于文獻(xiàn)[7]中的豎井幾何模型(原始豎井模型),采用數(shù)值模擬的方法研究了原始豎井模型進(jìn)水管附近的流態(tài)與氣壓分布規(guī)律,分析了進(jìn)水管附近負(fù)壓突增的原因,提出了改善進(jìn)水管附近通氣狀況的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,建立了可以確定通氣管道安裝高程的理論模型,并評(píng)估了優(yōu)化豎井模型的性能,最后探討了通氣管道相對(duì)進(jìn)水管的位置對(duì)優(yōu)化豎井模型內(nèi)氣壓分布的影響。

1 豎井模型數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

優(yōu)化豎井模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,該結(jié)構(gòu)以豎井頂部中心為原點(diǎn),z軸向下為正方向進(jìn)行建模。優(yōu)化模型由原始豎井模型與添加在進(jìn)水管正對(duì)面的通氣管道組成,通氣管道主要作為水舌阻隔區(qū)域氣體流通的通道。通氣管道主要包括水平管、豎直管和傾斜管,其直徑均為0.1m,水平管的長(zhǎng)度為0.36m,豎直管的高度為0.85m,傾斜管與豎井井身的夾角為70°,設(shè)置傾斜管的目的主要是防止貼壁水流發(fā)生回流,堵塞通氣管道的出口,原始豎井模型的幾何參數(shù)可參見文獻(xiàn)[7]。

圖1 優(yōu)化豎井模型幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分(單位:m)

利用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到豎井結(jié)構(gòu)為規(guī)則的圓柱體結(jié)構(gòu),采用O-grid方法能夠很好地將計(jì)算域劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)也便于生成邊界層網(wǎng)格。可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型適用于雷諾數(shù)較大的湍流核心區(qū)域,而對(duì)于雷諾數(shù)較小的近壁面區(qū)域則配合壁面函數(shù)法進(jìn)行求解,本文選用非平衡壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。將邊界層網(wǎng)格的層數(shù)設(shè)置為15層,第一層網(wǎng)格高度設(shè)為0.6mm,每層按照指數(shù)方式增長(zhǎng),增長(zhǎng)率為1.2,劃分完的網(wǎng)格如圖1(b)和(c)所示。

1.3 邊界條件及工況

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的影響,對(duì)23萬、36萬、47萬和65萬共4種不同數(shù)量的網(wǎng)格在Fluent中采用相同的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算求解,選取無量綱入流量為0.07的工況進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)并觀察豎井內(nèi)的垂向氣壓變化,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,計(jì)算結(jié)果的精度的確在提高,但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到47萬和65萬時(shí),計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定并不再變化,并且47萬和65萬網(wǎng)格下監(jiān)測(cè)到的壓力曲線與測(cè)量值吻合較好,也說明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此選擇47萬網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的模擬。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,利用不同入流量下進(jìn)氣管中氣體流速的模擬值與文獻(xiàn)[7]中利用氣壓測(cè)量值計(jì)算出的流速值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,不同入流量下進(jìn)氣管中氣體平均流速的模擬值與測(cè)量值吻合良好,最大誤差不超過6%,說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

圖3 進(jìn)氣管氣體平均流速對(duì)比

2.2 井身橫向壓強(qiáng)分布

為了探究入流水舌對(duì)進(jìn)水管附近井身橫截面上壓強(qiáng)分布的影響,以無量綱入流量0.09和0.12為例,在z=1m(水舌影響區(qū)域上端)、z=1.5m(水舌影響區(qū)域)和z=2.5m(水舌影響區(qū)域下端)處共選取3個(gè)截面進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)無量綱入流量為0.09時(shí),由圖4(a)可見,在z=1m截面上,最大壓差約為3Pa,說明在水舌上端區(qū)域,整個(gè)截面上的氣壓變化很小,基本上是均勻分布的;由圖4(b)可見,整個(gè)截面上(z=1.5m)的壓強(qiáng)也基本相同,只有進(jìn)水管正對(duì)面有一小部分區(qū)域表現(xiàn)為正壓,這是由于水舌撞擊到對(duì)面的井壁上造成的;由圖4(c)可見,除了井壁以及進(jìn)水管正對(duì)面位置處有壓力的升降外,其他區(qū)域的壓強(qiáng)也是均勻分布的,這是因?yàn)樗嘧矒舻骄诤?會(huì)有部分水流貼著壁面下落,因此壁面位置處壓力會(huì)比豎井中央大。當(dāng)無量綱入流量為0.12時(shí),3個(gè)位置處豎井截面上的壓強(qiáng)分布與無量綱入流量為0.09時(shí)的情況相似。綜上所述,同一入流量下,除了有水舌撞擊的區(qū)域以及井壁上有水流附著的區(qū)域外,同一平面上的橫向壓強(qiáng)是均勻分布的。

圖4 豎井井身橫截面上的壓強(qiáng)分布

2.3 垂向氣壓分布

原始豎井模型內(nèi)的垂向氣壓分布如圖5所示。由圖5可知,豎井內(nèi)相同位置上的氣壓(負(fù)壓)隨著入流量的增大而增大;同一流量下,從豎井頂部到底部氣壓整體呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì),說明豎井內(nèi)氣體卷吸現(xiàn)象嚴(yán)重,豎井底部被不斷加壓。由圖5還可以看到,在z1(z=1.23m)～z2(z=1.85m)區(qū)域內(nèi)負(fù)壓表現(xiàn)為突然增大,并且z2處為豎井內(nèi)負(fù)壓最大的地方,同時(shí)入流量越大,z1～z2區(qū)域內(nèi)的垂向氣壓梯度也越大,如當(dāng)無量綱入流量為0.09、0.12、0.15、0.17時(shí),z1和z2兩者間壓差的絕對(duì)值分別為14.67、43.99、104、161Pa,增幅很大。從進(jìn)水管附近的流速分布規(guī)律可知,z1～z2區(qū)域的負(fù)壓之所以會(huì)突增,主要是因?yàn)樗嗍嗽搮^(qū)域內(nèi)氣體流通的通道,導(dǎo)致氣體在該區(qū)域發(fā)生了大面積回流,水舌下方補(bǔ)氣不足。

圖5 原始豎井模型內(nèi)垂向氣壓分布

2.4 進(jìn)水管附近流速矢量和流線分布規(guī)律

本文重點(diǎn)探討進(jìn)水管附近的水舌運(yùn)動(dòng)及其影響,圖6為進(jìn)水管附近流速矢量與流線的分布。由圖6可知,進(jìn)氣管中的氣體進(jìn)入豎井后先是與井壁相撞,一部分氣體沿著井壁向上運(yùn)動(dòng)并在進(jìn)氣管上方形成了回流區(qū),另一部分氣體向下運(yùn)動(dòng)并在進(jìn)水管附近受到了水舌的阻擋,在與水舌發(fā)生碰撞后,開始反向流動(dòng),在進(jìn)水管與進(jìn)氣管之間形成了一個(gè)較大的回流區(qū)。不同的是,圖6(b)中在水舌與井壁碰撞出又形成了一個(gè)回流區(qū),這主要是由于隨著入流量的增大,水舌與井壁撞擊后形成的水體面積增大,導(dǎo)致該區(qū)域氣體過流空間不足,所以氣體發(fā)生了回流。而圖6(a)中由于水舌所占據(jù)的空間還不足以影響氣體的流動(dòng),所以并沒有在該處形成回流區(qū)。

在操作練習(xí)時(shí)分小組進(jìn)行，每個(gè)人分配不同的角色，進(jìn)行不同的對(duì)話。團(tuán)隊(duì)練習(xí)能夠使護(hù)生認(rèn)識(shí)到一項(xiàng)操作的完成需要團(tuán)隊(duì)的合作，無形中培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。

圖6 進(jìn)水管區(qū)域流速矢量與流線分布

3 跌流豎井的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 通氣管道安裝高程的確定及氣壓對(duì)比分析

通氣管道的主要作用是連通被水舌阻隔的氣體流通通道,方便水舌阻隔區(qū)域通氣,因此確定通氣管道的安裝高程和位置就需要確定水舌阻隔區(qū)域的大體位置,水舌阻隔區(qū)域即水舌從進(jìn)水管下方跌落到撞擊到對(duì)面井壁上的區(qū)域?；谶@個(gè)目的,本文提出一種水舌撞擊模型,該模型旨在預(yù)測(cè)水舌末端撞擊點(diǎn)的位置(水舌下落的起點(diǎn)位置已知,即進(jìn)水管末端高程),建模時(shí)將水舌的跌落過程近似地看作是一種類平拋運(yùn)動(dòng)。關(guān)于水舌末端撞擊點(diǎn)高度的計(jì)算過程如下:

a.確定水舌做類平拋運(yùn)動(dòng)的水平速度v1。顯然,v1就是進(jìn)水管中水流的流速,即

v1=Qw/A

(1)

式中A為進(jìn)水管中水流的橫截面積。

b.確定水舌從進(jìn)水管下落到撞擊到井壁上所需的時(shí)間T:

T=x/v1

(2)

式中x為水舌做類平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移。由于井壁的約束,水平位移最大為豎井的直徑長(zhǎng)。

c.確定水舌從起始點(diǎn)下落到撞擊點(diǎn)C的垂直距離Y,即撞擊點(diǎn)C的高度:

Y=gT2/2

(3)

(4)

式中DI為進(jìn)水管的直徑。

表1 水舌做類平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的計(jì)算參數(shù)

為了評(píng)價(jià)安裝通氣管道后優(yōu)化豎井模型的性能,本文分析了4組無量綱入流量(0.09、0.12、0.15和0.17)下優(yōu)化豎井模型內(nèi)的氣壓分布情況,并與原始豎井模型進(jìn)行了比較,結(jié)果如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn),相比原始豎井模型,優(yōu)化豎井模型能夠大幅降低豎井內(nèi)的整體負(fù)壓,進(jìn)水管附近z1～z2區(qū)域基本上沒有出現(xiàn)負(fù)壓突增的情況,并且氣壓梯度也逐漸趨于平緩,基本上消除了水舌對(duì)進(jìn)水管附近氣壓的影響。當(dāng)無量綱入流量為0.09、0.12時(shí),負(fù)壓突增區(qū)z1和z2兩者間的壓差分別為1、3Pa,相比原始豎井中的14.67、43.99Pa,該區(qū)域的壓差均降低了93.2%;無量綱入流量為0.15、0.17時(shí),z1和z2兩者間的壓差為16、34Pa,相比原始豎井中的104、161Pa,分別降低了84.6%、78.9%。盡管隨著流量的增大,通氣管道發(fā)揮的作用有所降低,但是當(dāng)進(jìn)水管達(dá)到最大無量綱入流量0.17時(shí)壓差仍能降低70%以上。從圖中還可以發(fā)現(xiàn),豎井中的負(fù)壓整體有所減小,相比原始豎井結(jié)構(gòu),4組入流量下優(yōu)化豎井中的上下游壓差分別降低了54.8%、52.4%、57.1%和40.6%,平均降低約50%。

圖7 優(yōu)化豎井模型與原始豎井模型的氣壓分布對(duì)比

3.2 通氣管道相對(duì)進(jìn)水管的位置對(duì)氣壓分布的影響

優(yōu)化模型通氣管道是安裝在進(jìn)水管正對(duì)面的(見圖1(a)),考慮到通氣管道相對(duì)進(jìn)水管的位置可能會(huì)影響通氣管道的性能,本文對(duì)此進(jìn)行了探討,具體做法是將通氣管道分別設(shè)置在與進(jìn)水管水平中心延長(zhǎng)線分別呈30°、60°和90°角的位置處(30°工況、60°工況、90°工況),具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 通氣管道與進(jìn)水管的相對(duì)位置

圖9為3種角度工況時(shí)優(yōu)化模型中的氣壓分布(由于通氣管道可以沿進(jìn)水管水平中心線兩側(cè)對(duì)稱布置,所以只探討通氣管道布置在進(jìn)水管水平中心延長(zhǎng)線一側(cè)的情況)。由圖9可知,通氣管道相對(duì)進(jìn)水管呈不同角度時(shí),豎井內(nèi)的氣壓分布有著較大的變化:①通氣管道布置在進(jìn)水管正對(duì)面(0°工況)時(shí),相比其他位置的通氣管道,此時(shí)豎井內(nèi)的負(fù)壓降低最少,也就是說,當(dāng)通氣管道布置在進(jìn)水管正對(duì)面時(shí)其所發(fā)揮的效果最差;②而當(dāng)進(jìn)水管與通氣管道垂直(90°工況)時(shí),盡管豎井內(nèi)的整體氣壓比0°工況效果要好,但是相比30°和60°工況仍要差;③30°和60°工況的氣壓分布曲線接近,但當(dāng)流量開始增大時(shí),30°工況更好。綜上所述,30°工況最優(yōu),60°工況次之,90°工況較差,0°工況時(shí)最差。究其原因,主要與豎井內(nèi)的水氣兩相分布規(guī)律有關(guān),由于跌落水舌會(huì)撞擊在進(jìn)水管正對(duì)面并且會(huì)出現(xiàn)反彈,進(jìn)水管延長(zhǎng)線兩側(cè)會(huì)留有空隙,所以當(dāng)通氣管道與進(jìn)水管延長(zhǎng)線呈現(xiàn)一定夾角時(shí)豎井內(nèi)更容易通氣。

4 結(jié) 論

a.水舌對(duì)跌流豎井內(nèi)的垂向氣壓分布影響很大,尤其是z1～z2區(qū)域,該區(qū)域的負(fù)壓增長(zhǎng)明顯。水舌阻隔了進(jìn)水管附近氣體流通的通道是造成z1～z2區(qū)域負(fù)壓突增的主要原因。

b.建立的水舌撞擊模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水舌撞擊井壁的位置,為通氣管道的安裝提供理論依據(jù)。

c.優(yōu)化后的豎井結(jié)構(gòu)能夠有效降低豎井中的負(fù)壓,并且使垂向氣壓梯度趨于平緩。相比原始豎井模型,優(yōu)化豎井模型能夠有效降低z1～z2區(qū)域的負(fù)壓差約70%,平均降低豎井上下游壓差50%左右。

d.通氣管道與進(jìn)水管的相對(duì)位置極大地影響了優(yōu)化豎井模型的性能。當(dāng)通氣管道與進(jìn)水管水平中心延長(zhǎng)線之間呈現(xiàn)30°角時(shí),優(yōu)化豎井模型內(nèi)的負(fù)壓會(huì)大幅降低,并且z1～z2區(qū)域沒有明顯的負(fù)壓突增現(xiàn)象。