跌流豎井結構優化及其氣壓特性數值模擬

蘆三強,喬時雨

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

跌流豎井作為水利工程及市政排水系統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水方式,跌流豎井中水流從進水管處以水舌的形式直接自由跌落,水舌撞擊井壁后會在進水管附近形成一個水體阻隔區域,造成豎井內通氣不暢、負壓過大以及卷吸氣量過多等問題[5-8]。

跌流豎井內負壓過大會引發一系列問題,如排污管道中氣體流通的空間被加壓,會導致排污系統中產生的一些臭氣從一些地表開口逸散到外界環境中[9-10];在極端暴雨天氣下還可能會引發井噴,沖起的井蓋在下落時可能會砸傷行人和引發交通事故等[11-12]。為了降低水舌引起的負壓過大問題,蘆三強等[13]在跌流豎井進水管附近布置了一個有旋分流隔板,目的是改變下落水流的流動方向,使水流圍繞隔板兩側旋轉流動,同時隔板中間形成了一個不過水的空腔區域,能有效防止水舌束窄氣體流通的空間。龔旭[14]在進水管與立管交匯處上方放置了一個擋板,其目的是調節進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,從而在進水管附近保留一定氣體流通空間。以上關于跌流豎井進水管附近的結構優化設計都發生在豎井結構內部,盡管能起到一定的通氣和調節氣壓的作用,但是由于占據了部分水體流通的空間,影響了豎井的過流能力,同時也不利于后續檢修作業等。

本文基于文獻[7]中的豎井幾何模型(原始豎井模型),采用數值模擬的方法研究了原始豎井模型進水管附近的流態與氣壓分布規律,分析了進水管附近負壓突增的原因,提出了改善進水管附近通氣狀況的結構優化方案,建立了可以確定通氣管道安裝高程的理論模型,并評估了優化豎井模型的性能,最后探討了通氣管道相對進水管的位置對優化豎井模型內氣壓分布的影響。

1 豎井模型數值模擬

1.1 數值模型

1.2 幾何模型及網格劃分

優化豎井模型幾何結構如圖1(a)所示,該結構以豎井頂部中心為原點,z軸向下為正方向進行建模。優化模型由原始豎井模型與添加在進水管正對面的通氣管道組成,通氣管道主要作為水舌阻隔區域氣體流通的通道。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°,設置傾斜管的目的主要是防止貼壁水流發生回流,堵塞通氣管道的出口,原始豎井模型的幾何參數可參見文獻[7]。

圖1 優化豎井模型幾何結構和網格劃分(單位:m)

利用ICEM CFD軟件進行網格劃分。考慮到豎井結構為規則的圓柱體結構,采用O-grid方法能夠很好地將計算域劃分為六面體結構化網格,同時也便于生成邊界層網格。可實現的k-ε湍流模型適用于雷諾數較大的湍流核心區域,而對于雷諾數較小的近壁面區域則配合壁面函數法進行求解,本文選用非平衡壁面函數法進行處理。將邊界層網格的層數設置為15層,第一層網格高度設為0.6mm,每層按照指數方式增長,增長率為1.2,劃分完的網格如圖1(b)和(c)所示。

1.3 邊界條件及工況

1.4 網格無關性驗證

為了驗證網格數量對計算結果精度的影響,對23萬、36萬、47萬和65萬共4種不同數量的網格在Fluent中采用相同的設置進行計算求解,選取無量綱入流量為0.07的工況進行網格無關性檢驗并觀察豎井內的垂向氣壓變化,結果如圖2所示。由圖2可知,隨著網格數量的增加,計算結果的精度的確在提高,但是當網格數量增加到47萬和65萬時,計算結果趨于穩定并不再變化,并且47萬和65萬網格下監測到的壓力曲線與測量值吻合較好,也說明了數值模擬結果的準確性,因此選擇47萬網格進行后續的模擬。

圖2 網格無關性驗證

2 結果與分析

2.1 數值模擬準確性驗證

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

圖3 進氣管氣體平均流速對比

2.2 井身橫向壓強分布

為了探究入流水舌對進水管附近井身橫截面上壓強分布的影響,以無量綱入流量0.09和0.12為例,在z=1m(水舌影響區域上端)、z=1.5m(水舌影響區域)和z=2.5m(水舌影響區域下端)處共選取3個截面進行分析,結果如圖4所示。當無量綱入流量為0.09時,由圖4(a)可見,在z=1m截面上,最大壓差約為3Pa,說明在水舌上端區域,整個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,整個截面上(z=1.5m)的壓強也基本相同,只有進水管正對面有一小部分區域表現為正壓,這是由于水舌撞擊到對面的井壁上造成的;由圖4(c)可見,除了井壁以及進水管正對面位置處有壓力的升降外,其他區域的壓強也是均勻分布的,這是因為水舌撞擊到井壁后,會有部分水流貼著壁面下落,因此壁面位置處壓力會比豎井中央大。當無量綱入流量為0.12時,3個位置處豎井截面上的壓強分布與無量綱入流量為0.09時的情況相似。綜上所述,同一入流量下,除了有水舌撞擊的區域以及井壁上有水流附著的區域外,同一平面上的橫向壓強是均勻分布的。

圖4 豎井井身橫截面上的壓強分布

2.3 垂向氣壓分布

原始豎井模型內的垂向氣壓分布如圖5所示。由圖5可知,豎井內相同位置上的氣壓(負壓)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不斷增大的趨勢,說明豎井內氣體卷吸現象嚴重,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)區域內負壓表現為突然增大,并且z2處為豎井內負壓最大的地方,同時入流量越大,z1～z2區域內的垂向氣壓梯度也越大,如當無量綱入流量為0.09、0.12、0.15、0.17時,z1和z2兩者間壓差的絕對值分別為14.67、43.99、104、161Pa,增幅很大。從進水管附近的流速分布規律可知,z1～z2區域的負壓之所以會突增,主要是因為水舌束窄了該區域內氣體流通的通道,導致氣體在該區域發生了大面積回流,水舌下方補氣不足。

圖5 原始豎井模型內垂向氣壓分布

2.4 進水管附近流速矢量和流線分布規律

本文重點探討進水管附近的水舌運動及其影響,圖6為進水管附近流速矢量與流線的分布。由圖6可知,進氣管中的氣體進入豎井后先是與井壁相撞,一部分氣體沿著井壁向上運動并在進氣管上方形成了回流區,另一部分氣體向下運動并在進水管附近受到了水舌的阻擋,在與水舌發生碰撞后,開始反向流動,在進水管與進氣管之間形成了一個較大的回流區。不同的是,圖6(b)中在水舌與井壁碰撞出又形成了一個回流區,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,導致該區域氣體過流空間不足,所以氣體發生了回流。而圖6(a)中由于水舌所占據的空間還不足以影響氣體的流動,所以并沒有在該處形成回流區。

在操作練習時分小組進行，每個人分配不同的角色，進行不同的對話。團隊練習能夠使護生認識到一項操作的完成需要團隊的合作，無形中培養了團隊合作精神。

圖6 進水管區域流速矢量與流線分布

3 跌流豎井的結構優化

3.1 通氣管道安裝高程的確定及氣壓對比分析

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域的大體位置,水舌阻隔區域即水舌從進水管下方跌落到撞擊到對面井壁上的區域。基于這個目的,本文提出一種水舌撞擊模型,該模型旨在預測水舌末端撞擊點的位置(水舌下落的起點位置已知,即進水管末端高程),建模時將水舌的跌落過程近似地看作是一種類平拋運動。關于水舌末端撞擊點高度的計算過程如下:

a.確定水舌做類平拋運動的水平速度v1。顯然,v1就是進水管中水流的流速,即

v1=Qw/A

(1)

式中A為進水管中水流的橫截面積。

b.確定水舌從進水管下落到撞擊到井壁上所需的時間T:

T=x/v1

(2)

式中x為水舌做類平拋運動的水平位移。由于井壁的約束,水平位移最大為豎井的直徑長。

c.確定水舌從起始點下落到撞擊點C的垂直距離Y,即撞擊點C的高度:

Y=gT2/2

(3)

(4)

式中DI為進水管的直徑。

表1 水舌做類平拋運動時的計算參數

為了評價安裝通氣管道后優化豎井模型的性能,本文分析了4組無量綱入流量(0.09、0.12、0.15和0.17)下優化豎井模型內的氣壓分布情況,并與原始豎井模型進行了比較,結果如圖7所示。由圖7可以發現,相比原始豎井模型,優化豎井模型能夠大幅降低豎井內的整體負壓,進水管附近z1～z2區域基本上沒有出現負壓突增的情況,并且氣壓梯度也逐漸趨于平緩,基本上消除了水舌對進水管附近氣壓的影響。當無量綱入流量為0.09、0.12時,負壓突增區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,該區域的壓差均降低了93.2%;無量綱入流量為0.15、0.17時,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,通氣管道發揮的作用有所降低,但是當進水管達到最大無量綱入流量0.17時壓差仍能降低70%以上。從圖中還可以發現,豎井中的負壓整體有所減小,相比原始豎井結構,4組入流量下優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 優化豎井模型與原始豎井模型的氣壓分布對比

3.2 通氣管道相對進水管的位置對氣壓分布的影響

優化模型通氣管道是安裝在進水管正對面的(見圖1(a)),考慮到通氣管道相對進水管的位置可能會影響通氣管道的性能,本文對此進行了探討,具體做法是將通氣管道分別設置在與進水管水平中心延長線分別呈30°、60°和90°角的位置處(30°工況、60°工況、90°工況),具體結構如圖8所示。

圖8 通氣管道與進水管的相對位置

圖9為3種角度工況時優化模型中的氣壓分布(由于通氣管道可以沿進水管水平中心線兩側對稱布置,所以只探討通氣管道布置在進水管水平中心延長線一側的情況)。由圖9可知,通氣管道相對進水管呈不同角度時,豎井內的氣壓分布有著較大的變化:①通氣管道布置在進水管正對面(0°工況)時,相比其他位置的通氣管道,此時豎井內的負壓降低最少,也就是說,當通氣管道布置在進水管正對面時其所發揮的效果最差;②而當進水管與通氣管道垂直(90°工況)時,盡管豎井內的整體氣壓比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,但當流量開始增大時,30°工況更好。綜上所述,30°工況最優,60°工況次之,90°工況較差,0°工況時最差。究其原因,主要與豎井內的水氣兩相分布規律有關,由于跌落水舌會撞擊在進水管正對面并且會出現反彈,進水管延長線兩側會留有空隙,所以當通氣管道與進水管延長線呈現一定夾角時豎井內更容易通氣。

4 結 論

a.水舌對跌流豎井內的垂向氣壓分布影響很大,尤其是z1～z2區域,該區域的負壓增長明顯。水舌阻隔了進水管附近氣體流通的通道是造成z1～z2區域負壓突增的主要原因。

b.建立的水舌撞擊模型能夠較準確地預測水舌撞擊井壁的位置,為通氣管道的安裝提供理論依據。

c.優化后的豎井結構能夠有效降低豎井中的負壓,并且使垂向氣壓梯度趨于平緩。相比原始豎井模型,優化豎井模型能夠有效降低z1～z2區域的負壓差約70%,平均降低豎井上下游壓差50%左右。

d.通氣管道與進水管的相對位置極大地影響了優化豎井模型的性能。當通氣管道與進水管水平中心延長線之間呈現30°角時,優化豎井模型內的負壓會大幅降低,并且z1～z2區域沒有明顯的負壓突增現象。