市政排水管道局部淤堵水力特性研究

摘 要：市政排水系統(tǒng)的有效運行對城市的生態(tài)環(huán)境、居民生活質(zhì)量以及基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文通過數(shù)值模擬方法建立排水管道數(shù)值模型，探究了干管工況下淤堵物上、下游截面所受沖擊力的變化、不同坡度對沖擊力的影響以及濕管條件下積水和淹沒工況淤堵物所受沖擊力和切應(yīng)力的變化。結(jié)果表明，干管工況下，水流流量和坡度越大，淤堵物所受沖擊力越大；濕管工況下，淤堵物所受沖擊力小于干管工況，沖擊力大小與淤堵物露出水面的高度存在顯著的線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：市政工程；排水管道；局部淤堵；水力特性

中圖分類號：TU 992" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在長期運行過程中和多種因素的共同作用下，市政排水管道會出現(xiàn)局部淤堵現(xiàn)象，導(dǎo)致排水能力下降、水流阻滯以及環(huán)境污染等。局部淤堵是指排水管道內(nèi)部的某些區(qū)域由雜物、沉積物、污泥等積聚造成的管道截面流通面積變小，水無法順暢流動[1]。局部淤堵不僅會影響正常的排水功能，還會加劇污水倒灌、管道腐蝕和排水設(shè)施損壞等問題，進(jìn)一步危害城市環(huán)境和居民的健康[2-3]。因此，本文依托某市排水管道局部淤堵情況，探究了不同工況下淤堵物的受力變化，研究成果將為城市排水管道規(guī)劃、建設(shè)和管理提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)城市排水系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

本文以某市排水系統(tǒng)中的一段排水管道為研究對象，該排水管道直徑為200mm，選取段長10m。通氣管直徑60mm，長度為500mm，設(shè)置在距離管道上游入口1m處，淤堵物設(shè)置在距離上游入口5m處，其長度為120mm，淤堵物高度根據(jù)工況設(shè)置。

2 相關(guān)理論及數(shù)值模型

2.1 控制方程及湍流模型

VOF多相流模型是用于描述流體界面行為的計算流體力學(xué)模型。在多相流中，液體、氣體和固體顆粒等可以共存并在空間中交互作用。在VOF模型中，流體的體積分?jǐn)?shù)表示每個空間單元內(nèi)各相占據(jù)的比例，即一個空間單元內(nèi)占據(jù)該單元的液體或氣體的比例。通過追蹤不同相的體積分?jǐn)?shù)分布，可以模擬流體界面的運動、擴(kuò)散、合并以及分離等現(xiàn)象，體積分?jǐn)?shù)的輸運方程如公式（1）所示。

（1）

式中：t表示時間；a為體積分?jǐn)?shù)；ui和xi分別表示不同方向上的流速和笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

雷諾平均模型是計算流體力學(xué)中常用的一種湍流模型，用于模擬湍流流動中的平均流場，通過將流場中的各物理量分解為時間平均值和湍流分量，將原始的非穩(wěn)定方程分解為平均方程和湍流應(yīng)力項，如公式（2）所示。

（2）

式中：μ和μT分別表示動力黏度和渦黏性系數(shù)；p為壓強(qiáng)；ρ為流體密度。

2.2 數(shù)值模型與工況設(shè)置

根據(jù)實際工程排水管道物理模型建立數(shù)值模型。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時選取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對近壁邊界層采用蜂窩狀網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以更好地捕捉邊界層效應(yīng)。在淤堵物部位增加網(wǎng)格密度，以提升計算結(jié)果的精度。排水管道局部數(shù)值模型圖如圖1所示。劃分網(wǎng)格后，需要對其進(jìn)行網(wǎng)格獨立性分析，驗證網(wǎng)格分辨率對模擬結(jié)果的影響。網(wǎng)格數(shù)量增長倍數(shù)為1.3，模型劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格數(shù)量分別是221萬、260萬和311萬，計算時間步長分別為0.0003s、0.0006s和0.0009s。比較試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果可知，網(wǎng)格數(shù)量與時間步長對模擬結(jié)果精度的影響較小，可以忽略不計。結(jié)合計算時長，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為260萬、時間步長為0.0009s進(jìn)行模擬。分別在淤堵物和排水管道內(nèi)壁布置5個測點和2個測試截面，其中側(cè)點1位于淤堵物上游、測點2、3、4位于淤堵物部位，測點5位于淤堵物下游。

工況設(shè)置見表1，分為A、B、C共3組工況，將A組和B組邊界條件設(shè)置為恒定流量入口，C組邊界條件設(shè)置為非恒定流量入口。A組初始水位為0mm，即模擬干管條件下，恒定水流對淤堵物的沖擊作用；B組初始水位為0mm～40mm，以探究恒定水流對淤堵物的影響；C組管道具有基礎(chǔ)流量，其數(shù)值為1L·s-1～15L·s-1不等，模擬非恒定水流對淤堵物的影響。此外，設(shè)置基礎(chǔ)流量為30L·s-1，以探究滿管工況下非恒定水流對淤堵物的水力作用。

3 計算結(jié)果分析

3.1 干管條件下水流沖擊障礙物分析

淤堵物上游和下游截面沖擊力隨時間和水流流量的變化如圖2所示。觀察圖2（a）可知，在淤堵物受到水流沖擊的瞬間，其所受沖擊力瞬間增加，然后迅速回落，隨著時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。此外，根據(jù)不同水流流量下的沖擊力變化可知，水流流量越大，對淤堵物的沖擊力越大。由圖2（b）可知，淤堵物下游截面受水流沖擊時，其沖擊力瞬間增加，然后緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定，不同水流流量下的沖擊力變化規(guī)律與上游截面一致，水流流量越大，沖擊力越大。根據(jù)水流流量為9L·s-1時的淤堵物壓強(qiáng)分布可知，淤堵物中部和底部壓強(qiáng)較大，而兩側(cè)邊緣部位壓強(qiáng)相對較小。原因是流體以不同速度在某區(qū)域內(nèi)流動時，流體的動能和壓強(qiáng)處于平衡狀態(tài)。在水流中，流速較大的地方壓強(qiáng)較低，流速較小的地方壓強(qiáng)較高，當(dāng)水流沖擊淤堵物時，兩側(cè)流速會增加，導(dǎo)致壓強(qiáng)降低，而在淤堵物的中部和底部，水流速度較小，從而壓強(qiáng)相對較高。

在不同水流流量下，水流與淤堵物相互作用的過程可看作射流沖擊過程，因此可根據(jù)公式（3）計算水流的最大沖擊力。

F=KρAv2 （3）

式中：v表示水流流速；A為受力面積；K為修正系數(shù)；F為沖擊力。

在實際情況中，流體的行為受許多因素影響，如淤堵物的幾何形狀、表面粗糙度、流體的黏性以及流速分布等。考慮這些因素對計算結(jié)果的影響，本文引入了修正系數(shù)K，使其更適用于特定情況。當(dāng)水流流量為一定大小時，淤堵物的受力面積接近自身的截面面積，不再發(fā)生變化，此時水流的沖擊力主要受流速的影響。當(dāng)管道直徑、水流流量、管道材質(zhì)和粗糙度等因素相同時，水流流速主要取決于坡度的大小。不同坡度下水流對淤堵物的沖擊力如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)淤堵物高度一定時，坡度越大水流對淤堵物的沖擊力越大，此外，不同坡度計算結(jié)果的修正系數(shù)不同，當(dāng)坡度為1.5%、1%、0.05%和0.03%時，修正系數(shù)分別取2.3、1.4和0.6，理論計算值與數(shù)值模擬值吻合度較高，因此坡度越大，修正系數(shù)K的值越大。當(dāng)坡度、水流流速和流量一定時，不同高度淤堵物所受水流沖擊力相差不大。

3.2 濕管條件下水流沖擊障礙物分析

管道內(nèi)積水情況下淤堵物沖擊力變化如圖4所示。由圖4可知，隨著淤堵物露出水面高度的增加，其所受水流沖擊力不斷增大，淤堵物露出水面高度與水流沖擊力間存在顯著的線性關(guān)系。原因是淤堵物裸露高度越大，與水流間的相互作用越強(qiáng)烈，更多的水流動能轉(zhuǎn)化為沖擊力，從而使其所受沖擊力增加。因此，當(dāng)管道內(nèi)水位流量一定時，可以通過淤堵物露出水面的高度預(yù)測其水流沖擊力，通過對計算結(jié)果進(jìn)行線性擬合可以得出兩者近似滿足公式（4）。

ΔF=12.76Δh+0.69 （4）

淤堵物完全淹沒情況下的受力情況如圖5所示。隨著基礎(chǔ)流量的增加，淤堵物所受沖擊力增大，但增加幅度較小。由基礎(chǔ)流量變化導(dǎo)致的沖擊力變化顯著小于干管情況下的沖擊力，當(dāng)基礎(chǔ)流量近似等于17L·s-1時，干管工況下的沖擊力約為濕管的7倍。原因是在濕管工況下，基礎(chǔ)流量使管道內(nèi)的水流相對平穩(wěn)，流速較低。相比下，干管工況下的水流更趨于湍流，增加了動能傳遞，進(jìn)而增加了沖擊力。

4 結(jié)論

為探究不同工況下水流沖擊對淤堵物受力特性的影響，本文采用數(shù)值模擬方法對干管和濕管條件下水流沖擊淤堵物的受力特性進(jìn)行了分析，所得結(jié)論如下。1）干管條件下，淤堵物上游截面所受沖擊力隨時間變化呈先瞬間增加、后迅速變小、再趨于穩(wěn)定的趨勢；下游截面所受沖擊力先瞬間增加，然后緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定；水流流量越大，淤堵物截面所受沖擊力越大。2）干管工況下，淤堵物中部和底部壓強(qiáng)較大，而兩側(cè)邊緣部位壓強(qiáng)相對較小。當(dāng)淤堵物高度一定時，坡度越大，水流對淤堵物的沖擊力越大。不同坡度沖擊力計算結(jié)果的修正系數(shù)不同，坡度越大，修正系數(shù)值越大。3）濕管條件下，淤堵物露出水面高度越大，所受水流沖擊力越大。由基礎(chǔ)流量變化導(dǎo)致的沖擊力變化顯著小于干管條件下的沖擊力。

參考文獻(xiàn)

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