不同進(jìn)口高度排水管道用渦流裝置截流特性模擬與試驗(yàn)

馬光飛，方 勇，吳燕明，程文韜，李 桃，李 超

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不同進(jìn)口高度排水管道用渦流裝置截流特性模擬與試驗(yàn)

馬光飛，方 勇※，吳燕明，程文韜，李 桃，李 超

（1.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所），杭州 310024；2. 水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310024）

為研究不同進(jìn)口高度的渦流截流裝置的截流特性，選用瞬態(tài)不可壓縮流動(dòng)的N-S方程和重整化群 RNG-湍流模型，采用歐拉模型中的VOF（volume of fluid）法對(duì)渦流截流裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了進(jìn)口高度對(duì)渦流截流裝置截流特性、截流效率的影響，并且研究了渦流裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布特性，同時(shí)對(duì)渦流截流裝置的截流特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，進(jìn)口高度越小，截流能力越強(qiáng)；渦流截流裝置的截流效率，隨著高度增大先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在3/5~4/5之間；當(dāng)進(jìn)口寬度固定時(shí)，為了保證不發(fā)生溢流或者堵塞，且能夠?qū)崿F(xiàn)較好截流，渦流截流裝置的進(jìn)口高度應(yīng)選擇4/5~5/5之間，此時(shí)，渦流裝置的進(jìn)口截面面積大于出口截面面積。渦流截流裝置的截流主要是因?yàn)樵谘b置內(nèi)部形成了局部低壓，靜壓力轉(zhuǎn)換為流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)壓力，使流體產(chǎn)生高速旋流，發(fā)生了旋流截流。該研究可為城市污水截流裝置提供新的可選設(shè)計(jì)方法，降低污水溢流或者內(nèi)澇發(fā)生率。

渦流；水利設(shè)備；進(jìn)口高度；瞬態(tài)數(shù)值模擬；截流特性；內(nèi)部流動(dòng)特性；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)企業(yè)排放的污染性氣體、汽車尾氣等會(huì)形成大氣干沉降，累積在地表上，沉積在管道中，隨著降雨，這些污染物會(huì)隨著雨水的沖刷進(jìn)入水體對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染[1-3]，使得城市雨水管道污染問題變得更加嚴(yán)重。因此，如何控制城市強(qiáng)降雨雨水污染問題及加大雨水利用率已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)[4-7]。國(guó)內(nèi)外普遍采用的處理方式是：規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施截流裝置及其系統(tǒng)，如截流堰、限流封板、止回閥、控制閘等傳統(tǒng)截流裝置，但是上述截流裝置都存在著不同程度的缺陷[8-10]：如截流量調(diào)節(jié)不精確，截流需要改變?cè)薪亓骶Y(jié)構(gòu)，截流管中污水量及充滿度的動(dòng)態(tài)變化需要實(shí)時(shí)觀察、截污流量小，且水力學(xué)設(shè)計(jì)使其實(shí)際截流實(shí)施困難等問題突出。

目前，研究水利裝置及其他流體流動(dòng)現(xiàn)象的方法主要有試驗(yàn)研究、理論分析和各種數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析。焦愛萍等[11]用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法，利用Fluent計(jì)算軟件，研究了不同流量比射流對(duì)水墊塘的流動(dòng)特征、動(dòng)水墊效應(yīng)和水墊塘底板時(shí)均沖擊動(dòng)壓分布以及消能效果的影響。崔寶玲等[12]分析起旋器入射角度對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)性能的影響；趙偉國(guó)等[13]基于遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和三維CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得到了最優(yōu)葉輪模型。程正飛等[14]采用耦合VOF法的三維非穩(wěn)態(tài)水氣兩相流滲流模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓混凝土壩復(fù)雜自由滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬。季磊磊等[15]基于ANSYS CFX軟件分析了流量工況對(duì)混流泵內(nèi)壓力分布流線分布、湍動(dòng)能的影響，探討了不同流量工況下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域和頻域響應(yīng)。吳波等[16]基于CFD數(shù)值仿真結(jié)合單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，研究螺旋角、槽深、槽數(shù)、槽寬比和槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比對(duì)螺旋槽干氣密封性能的影響。張勤昭[17]以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)驗(yàn)證湍流模型，選擇SST模型作為湍流模型，建立獲得三偏心蝶閥詳細(xì)流場(chǎng)的數(shù)值模型，分析開度對(duì)三偏心蝶閥全流阻系數(shù)的影響。張義龍等[18]利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同布水形式與流速的關(guān)系以及對(duì)傳質(zhì)效果的影響。朱榮生[19]等應(yīng)用ANSYS-CFX 軟件，對(duì)離心泵內(nèi)部發(fā)生空化時(shí)進(jìn)行定常和非定常計(jì)算，采用泵內(nèi)部不同流道的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、氣體體積分?jǐn)?shù)以及壓力脈動(dòng)情況的計(jì)算結(jié)果分析流道內(nèi)部瞬態(tài)非線性的流動(dòng)變化規(guī)律。針對(duì)類似的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究方法還有很多，如文獻(xiàn)[20-24]，均采用數(shù)值模擬的方法分析了研究對(duì)象的內(nèi)部流動(dòng)特性。綜上所述，采用數(shù)值模擬的方法分析水力學(xué)問題是可行的。

本文采用FLUENT計(jì)算軟件，選用瞬態(tài)數(shù)值模擬N-S方程和RNG-紊流模型和VOF（volume of fluid）法，對(duì)渦流截流裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。詳細(xì)研究了不同進(jìn)口高度渦流截流裝置的截流特性、內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布，揭示其截流機(jī)理，為城市污水截流裝置提供新的可選設(shè)計(jì)，降低污水溢流或者內(nèi)澇的發(fā)生。

1 模型建立及計(jì)算方法

1.1 物理模型

渦流截流裝置主要應(yīng)用于排水系統(tǒng)，其工作原理為當(dāng)流體流過渦流截流裝置時(shí)，在渦流截流裝置中心產(chǎn)生偏心的螺旋氣柱（進(jìn)而產(chǎn)生局部低壓，甚至負(fù)壓），改變出水口過流斷面，從而限制出水流量，產(chǎn)生了截流效應(yīng)。

本研究的渦流截流裝置，主要包括前后蓋板，蝸殼型腔體，進(jìn)出口，其模型示意圖如圖1a、1b所示。為了充分研究渦流截流裝置的截流特性和內(nèi)部流動(dòng)特性，將其整體布施在上游檢查井內(nèi)，在進(jìn)口寬度固定的前提下對(duì)多組進(jìn)口高度下的模型進(jìn)行研究。模型基本參數(shù)為進(jìn)口高度=230 mm，蝸殼結(jié)構(gòu)直徑=460 mm，寬度=150 mm。研究對(duì)象模型參數(shù)見表1。

注：L為渦流裝置的寬度，mm；h為渦流裝置進(jìn)口高度，mm；D為基圓直徑，mm。

1.2 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法

研究對(duì)象物理模型的數(shù)值模擬方法，主要采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT軟件[25-28]進(jìn)行計(jì)算，由于渦流截流裝置主要應(yīng)用于集水井中，其內(nèi)部流動(dòng)并不是簡(jiǎn)單的單相流動(dòng)，而是多相組分流動(dòng)。為了對(duì)其的截流特性和內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，減少試驗(yàn)成本，在本文的數(shù)值計(jì)算中將其視為氣液兩相流動(dòng)。也正是由于氣相的存在，隨著集水井中水位的高低變化，在渦流截流裝置出口中心位置形成不同直徑大小的截流氣柱，才使得研究對(duì)象擁有良好的截流特性而不需要再提供外部動(dòng)力能源，即可達(dá)到排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的流量調(diào)度，減緩下游集水井中的溢流發(fā)生率。

基于流體質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、流體體積函數(shù)模型（VOF model）的多相流動(dòng)方程及組分湍流方程（RNG-）進(jìn)行三維湍流計(jì)算。

1）質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，可表述為單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量

連續(xù)性方程的適用范圍沒有限制，無論是可壓縮的或者不可壓縮的流體，黏性或者無粘性流體，瞬態(tài)或者穩(wěn)態(tài)流動(dòng)均適用。

2）動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。動(dòng)量守恒定律實(shí)際上是牛頓第二定律，可表述為：任何控制微元中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在微元上各種力之和，用數(shù)學(xué)式表示為

3）流體體積函數(shù)方程（VOF model）

在VOF模型中，認(rèn)為水和氣共有相同的速度和壓力場(chǎng)，因而對(duì)水氣兩相流可以像單相流那樣采用一組方程來描述流場(chǎng)。該方法采用1個(gè)流體體積分?jǐn)?shù)來描述自由表面的各種變化，在控制體內(nèi)對(duì)第相流體的容積分?jǐn)?shù)規(guī)定為：α=0表示控制體內(nèi)無相流體，α=1表示控制體內(nèi)完全充滿相流體，0<α<1表示控制體內(nèi)部相流體的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)所有流體的容積分?jǐn)?shù)總和為1，即∑α=1。

采用VOF方法追蹤流體自由表面對(duì)第相流體的控制微分方程為

流體自由界面的跟蹤通過求解該方程來完成，其具體位置采用幾何重建格式來確定。它采用分段線性近似的方法來表示自由水面線。在每個(gè)單元中，水氣交界面是具有不變斜率的斜線段，并用此線性分界面形狀來計(jì)算通過單元面上的流體通量。根據(jù)每個(gè)單元的容積分?jǐn)?shù)值及其偏微分，線性的水氣交界面相對(duì)于每個(gè)部分充滿的單元中心的位置就可以計(jì)算出來，從而確定其具體位置。

4）組分湍流方程（RNG-）

RNG-模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)-模型很相似，但進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)于具有旋流產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)精度更加準(zhǔn)確，其方程式如下

湍動(dòng)能方程

湍動(dòng)能耗散率方程

在上述方程（1）－（5）中，為流體密度，kg/m3；為時(shí)間，s；=1，2，3，即x=、、，u=、、，、、分別為笛卡爾坐標(biāo)系中的三坐標(biāo)的速度分量，即、、方向上速度矢量的分量；為求和下標(biāo)；方程中通用模型常數(shù)，C=1.44，C2=1.92，σ=1.0，σ=1.3。

G為平均速度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

方程中通用模型常數(shù)C=0.09。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

由于研究對(duì)象具有多種結(jié)構(gòu)，即不同進(jìn)口高度值，且其主要應(yīng)用于截流井（或集水井）中進(jìn)行截流，且不同進(jìn)口高度值，流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分原理相同。因此，這里只給出全值安裝于截流井中的單開口流道網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)。由于其中存在蝸殼型結(jié)構(gòu)，選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)給出上下游延長(zhǎng)管道（分別為進(jìn)出口的5倍直徑和出口10倍直徑）的網(wǎng)格，這樣在計(jì)算中湍流流動(dòng)可得到充分發(fā)展，見圖2。

注：D1為流體進(jìn)口直徑，D1=300 mm；D2為流體出進(jìn)口直徑，D2=200 mm。

邊界條件：流體進(jìn)口采用速度進(jìn)口，0.7 m/s（該流速為管道設(shè)計(jì)最小流速[29]），進(jìn)口全部為介質(zhì)水，密度為998.2 kg/m3，粘度為1.005×10-3Pa·s；流體出口采用壓力出口，直接通大氣；空氣密度為1.205 kg/m3，粘度為1.81×10-5Pa·s；單開口入口處采用交界面interface進(jìn)行定義，數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)0.01 s，計(jì)算收斂殘差為10-6，速度壓力耦合采用PISO算法。

3 結(jié)果與分析

本文研究了渦流截流裝置的截流特性，使其有自適應(yīng)截流效果，通過截流裝置使集水井的出口流量隨著集水井中的水位發(fā)生變化，有效控制集水井的出口流量。在遇到強(qiáng)降雨時(shí)，使上游高地勢(shì)的水流流動(dòng)減慢，降低下游集水井中的匯流量，使其在還未溢流前，擁有更多的離開時(shí)間，有效地為城市污水截流裝置提供新的可選設(shè)計(jì)。

3.1 渦流截流裝置的截流特性

圖3為不同進(jìn)口高度時(shí)，渦流截流裝置的截流特性曲線。渦流裝置的截面為×的矩形截面，由于寬度=150 mm和初始進(jìn)流流速=0.7 m/s，均為一定值，因此文中以渦流裝置進(jìn)口高度為模型變化參數(shù)。其中橫坐標(biāo)為集水井出口的質(zhì)量流量，kg/s；縱坐標(biāo)為集水井中的水位，m。從圖中可以看出，1）在所有進(jìn)口高度下，渦流截流裝置出口流量與水位變化關(guān)系均產(chǎn)生了S型轉(zhuǎn)折，起到了截流作用。2）進(jìn)口高度越小，發(fā)生截流時(shí)的出口流量越小，最終的截流效果越明顯，即11>12>13>14>15。3）在進(jìn)口高度1/5、2/5、3/5、4/5時(shí)，S型特性曲線的幅度相對(duì)較小，而在5/5時(shí)，S型特性曲線的幅度相對(duì)較大，這主要是因?yàn)樵谶M(jìn)口高度較小時(shí)，渦流截流裝置進(jìn)口截面的面積小于出口截面面積，進(jìn)口起到了孔板截流的效果，孔板截流與渦流截流裝置截流量的疊加，使得在1/5、2/5、3/5、4/5時(shí)截流效果特別明顯；因此，此時(shí)集水井中的水位也較高。4）進(jìn)口高度不同，出現(xiàn)S轉(zhuǎn)折時(shí)的集水井水位并不相同，這說明渦流截流裝置的截流特性不僅與集水井中的水位有關(guān)，還可能與渦流截流裝置內(nèi)部的水位高低有關(guān)。

注：Q11-15為渦流裝置的S拐點(diǎn)結(jié)束后的出口質(zhì)量流量；H11-15為該出口流量對(duì)應(yīng)下的集水井中的水位。Q21-25為渦流裝置的S拐點(diǎn)前的出口質(zhì)量流量；H21-25為該出口流量對(duì)應(yīng)下的集水井中的水位。

3.2 渦流截流裝置的截流效率

在流體中沒有形成螺旋氣柱時(shí)，渦流截流裝置沒有出現(xiàn)截流特性，當(dāng)流體出現(xiàn)了S型的出口流量曲線時(shí)，才會(huì)有截流特性。因此，本文的截流效率以出現(xiàn)S型的出口流量曲線為基準(zhǔn)，是在出現(xiàn)S拐點(diǎn)前的流量與出現(xiàn)S拐點(diǎn)前的流量減去S拐點(diǎn)結(jié)束后的流量之比，截流效率公式為

在方程（7）中，為截流效率，%，m為出現(xiàn)S拐點(diǎn)前的出口質(zhì)量流量，kg/s。n為S拐點(diǎn)結(jié)束后的出口質(zhì)量流量，kg/s。

圖4為不同進(jìn)口高度時(shí)，渦流截流裝置的截流效率曲線。

圖4 渦流截流裝置的截流效率

從圖4中可以看出，1）進(jìn)口高度為1/5時(shí)，截流效率最大，可以產(chǎn)生30%以上的截流量，但是該進(jìn)口高度下，渦流截流裝置進(jìn)口截面積過小，一旦有較大雜質(zhì)進(jìn)入雨水管道，發(fā)生堵塞的可能性最大。同時(shí)，由于截流量過大，使得集水井中的水位上升很快，在較小出口流量下就會(huì)使集水井發(fā)生溢流，如果在集水井上沒有安裝引流管或者溢流堰之類的裝置，將會(huì)使上游地區(qū)很快發(fā)生溢流或者內(nèi)澇等現(xiàn)象，無法達(dá)到改善城市雨水截流、降低內(nèi)澇發(fā)生的目的。2）隨著進(jìn)口高度的增加，截流效率先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在3/5～4/5之間，但是，從截流不發(fā)生堵塞的前提出發(fā)，4/5～5/5之間應(yīng)為最優(yōu)設(shè)計(jì)，該區(qū)間也是渦流截流裝置進(jìn)口截面面積大于出口截面面積。3）結(jié)合圖3，我們可以看出，為了保證在集水井中流量較小時(shí)不發(fā)生截流，降低集水井本身的溢流問題以及大的雜質(zhì)造成堵塞的問題，又能提高截流效率，進(jìn)口高度5/5，為最優(yōu)的進(jìn)口高度選擇。

3.3 渦流截流裝置的內(nèi)部流動(dòng)特性

通過上述分析，我們知道截流特性曲線均為S型，因此，其內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)差別不是很大，且進(jìn)口高度5/5，為最優(yōu)進(jìn)口高度，本文僅對(duì)進(jìn)口高度5/5時(shí)，數(shù)值模擬形成S型截流曲線后，渦流截流裝置內(nèi)部=0，=300，數(shù)值計(jì)算時(shí)間=55 s，此時(shí)的中心截面進(jìn)行分析，用來解釋渦流截流裝置截流特性的內(nèi)部機(jī)理。

3.3.1 渦流截流裝置=0截面上的流動(dòng)特性

圖5a、b、c分別為=0時(shí)，渦流截流裝置內(nèi)部流場(chǎng)的壓力等值線云圖、速度等值線云圖、速度流線云圖。

1）從圖5a中可以看出，在集水井中的靜壓力分布均勻，從下到上逐步減小。但是經(jīng)過渦流截流裝置的作用，壓力分布不再均勻，在渦流截流裝置內(nèi)部形成了低壓區(qū)，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，且低壓區(qū)向管道下游延伸。

2）從圖5b中可以看出，在湍流充分發(fā)展后，經(jīng)過渦流截流裝置的作用，流體的速度增加，這說明渦流截流裝置使得流體的靜壓力轉(zhuǎn)換成了動(dòng)壓力。增加流體速度，有利于管道中的懸浮顆粒物質(zhì)加速排除。

3）從圖5c中可以看出，在整個(gè)流場(chǎng)中，存在大小不同的渦流，主要存在于集水井的底部，氣液兩相交界面，渦流截流裝置內(nèi)部上側(cè)，渦流截流裝置外部上側(cè)的集水井中，這說明，渦流截流裝置的存在，使得流體獲得動(dòng)壓力，從而造成了障礙物阻流。

圖5 z=0時(shí)，渦流截流裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.3.2 渦流截流裝置=300截面上的流動(dòng)特性

圖6a、b、c分別為=300時(shí)，渦流截流裝置內(nèi)部流場(chǎng)的壓力等值線云圖、速度等值線云圖、速度流線云圖。1）從圖6a中可以看出，在渦流截流裝置內(nèi)部，靜壓力分布從渦流裝置外部向渦流裝置中心遞減。2）從圖6b中可以看出，在渦流截流裝置內(nèi)部，速度分布從渦流裝置外部向渦流裝置中心遞增。3）從圖6c中可以看出，在渦流截流裝置內(nèi)部，形成了高速旋流。上述現(xiàn)象說明，渦流截流裝置之所以具有S型截流特性，是因?yàn)樵跍u流截流裝置內(nèi)部產(chǎn)生了低壓甚至負(fù)壓，靜壓力降低使得動(dòng)壓力增加，流體流速增加，在渦流截流裝置該截面上產(chǎn)生的圍繞低壓帶的高速旋流，使得流體在裝置內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流出，從而產(chǎn)生了旋流截流。

圖6 x=300時(shí)，渦流截流裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。通過對(duì)本文的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)盡管進(jìn)口截面積小，渦流裝置的截流量大，但是從客觀實(shí)際出發(fā)，這樣很容易發(fā)生堵塞。

因此，本文數(shù)值模擬的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為進(jìn)口截面面積大于出口截面面積的渦流截流裝置，即進(jìn)口高度4/5~5/5之間，因此僅對(duì)進(jìn)口高度5/5的渦流截流裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本試驗(yàn)在水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所）水利機(jī)械及其再制造技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)流程圖如圖7所示。

圖7 渦流截流裝置試驗(yàn)流程圖

圖8為渦流截流裝置，進(jìn)口高度為5/5時(shí)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比圖。從圖中可以看出，數(shù)值模擬具有較高的可信度，可以用來分析渦流截流裝置的截流特性和內(nèi)部流場(chǎng)。

圖9為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圖片，其中a、b分別給出了試驗(yàn)裝置的實(shí)物模型和試驗(yàn)裝置的實(shí)物模型及渦流裝置試驗(yàn)效果圖。從圖中可以看出，渦流截流裝置內(nèi)部形成了螺旋氣柱，且氣柱的延伸段很長(zhǎng)，說明本文數(shù)值模擬準(zhǔn)確。

圖8 數(shù)值模擬驗(yàn)證

圖9 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圖片

4 結(jié) 論

本文采用FLUENT流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件，模擬了不同進(jìn)口高度的渦流截流裝置內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)和截流特性之間的關(guān)系，同時(shí)，進(jìn)行了截流特性試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了不同進(jìn)口高度對(duì)渦流截流裝置的截流特性、截流效率的影響規(guī)律，并重點(diǎn)分析了最優(yōu)截流就夠設(shè)計(jì)的內(nèi)部流動(dòng)特性，揭示渦流截流裝置的截流機(jī)制。通過分析可以得到以下結(jié)論：

1）渦流截流裝置之所以具有S型截流特性，是因?yàn)樵跍u流截流裝置內(nèi)部產(chǎn)生了低壓甚至負(fù)壓，靜壓力降低使得動(dòng)壓力增加，流體流速增加，在渦流截流裝置內(nèi)部截面上產(chǎn)生了圍繞低壓帶的高速旋流，使得流體在裝置內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流出，從而產(chǎn)生了旋流截流。

2）在所有進(jìn)口高度下，渦流截流裝置均產(chǎn)生了S型轉(zhuǎn)折，起到了截流作用。進(jìn)口高度越小，發(fā)生截流時(shí)的出口流量越小，最終的截流效果越明顯。進(jìn)口高度不同，出現(xiàn)S轉(zhuǎn)折時(shí)的集水井水位并不相同，渦流截流裝置的截流特性不僅與集水井中的水位有關(guān)，還與渦流截流裝置內(nèi)部的水位高低有關(guān)。隨著進(jìn)口高度的增加，截流效率先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在3/5～4/5之間，但是為了保證在低水位時(shí)候不進(jìn)行截流，且進(jìn)口截面積越小，越容易發(fā)生堵塞，因此，當(dāng)渦流裝置進(jìn)口寬度給定時(shí)，渦流截流裝置進(jìn)口截面面積大于出口截面面積為最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即進(jìn)口高度應(yīng)為4/5～5/5之間。

3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文研究的數(shù)值模擬具有較高的可信度，可以為城市污水截流裝置提供新的可選設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，確實(shí)是因?yàn)樵跍u流裝置內(nèi)部產(chǎn)生螺旋型旋流氣柱，改變了出水口過流斷面，從而限制出水流量，使管道出口質(zhì)量流量減小，產(chǎn)生了截流效應(yīng)。

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Closure characteristics simulation and experiment of eddy current device with different imported height in drainage pipeline

Ma Guangfei, Fang Yong※, Wu Yanming,Cheng Wentao,Li Tao, Li Chao

(1.310024; 2.310024)

In order to provide a new alternative design scheme for the interception treatment of urban sewerage, and reduce the effluent overflow in the catchment or the incidence of water logging in the pipe network, the closure characteristics of the eddy current closure device, the static pressure field distribution, the velocity field distribution and the velocity streamline distribution of the internal flow field at different inlet height are investigated. In this article, the transient N-S equations of incompressible flow, the renormalization group RNG k-ε turbulence model and the VOF (volume of fluid) method of Euler model are selected to carry out three-dimensional numerical simulation on the eddy closure device. Under the change of inlet height, the influences of the eddy current on the closure properties and closure efficiency of closure device are analyzed, as well as the internal flow characteristics of device. At the same time, the closure characteristics of the eddy current interception device have been experimentally verified. The experimental results are in good agreement with that of the numerical simulation. Based on the analysis of the riveting characteristics and the internal flow field characteristics of the eddy current device, the results show that under all the inlet height, the eddy current closure device produces the S-type turning and plays the role of closure. The smaller the inlet height, the stronger the intercepting capacity of the eddy current closure device; but the possibility of overflow and blockage is also bigger. At the different the inlet height, when the S-type turning occurs, the water level in the catchment is not the same, indicating that the cutoff characteristics of the eddy current closure device not only are related to the water level in the water collecting well, but also may be related to the water level inside the eddy current closure device. When the inlet height is small, the area of the inlet cross section of the eddy current closure device is smaller than that of the outlet cross section, and the inlet function is the effect of the orifice interception. The cutoff is the superposition of the interception of the orifice and the cutoff of the device. With the increase of the inlet height, the cutoff efficiency of the eddy current closure device decreases at first and then increases, and the increase range is between 4/5 and 5/5 of the inlet height, indicating that to ensure no overflow or clogging and achieve good closure, the inlet area of eddy current closure device should be greater than the export cross-sectional area. In the whole flow field, there are different vortices of different sizes, which are mainly present in the bottom of the trap, the gas-liquid interface, and the upper part of the internal and external eddy current closure device, and the existence of the eddy current closure device makes the fluid obtain dynamic pressure, resulting in obstacles obstruction. In the eddy current closure device, the high-speed swirl forms. The eddy closure device has S-type shutoff characteristics because of the low pressure or even negative pressure inside the eddy current closure device. With the decrease of the static pressure, the dynamic pressure increases, and the fluid flow rate increases; on the transverse cross section of the eddy current closure device, a high-speed swirl is produced around the low pressure zone, so the fluid flows out rotationally from the swirl device, resulting in the closure of cyclone flow. Through the experimental verification, it can be explained that the high speed vortex generated by fluid is a spiral gas column, and has a performance of long extension, which is beneficial to realize cyclone cleaning.

eddy currents; water conservancy equipment; inlet height; transient numerical simulation; closure characteristics; internal flow characteristics; experimental verification

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.006

TD744; TU992

A

1002-6819(2017)-22-0046-07

2017-06-15

2017-10-16

浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2017C33010）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201501026）

馬光飛，工程師。主要從事水利機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及流體機(jī)械方面的研究。Email：maguangfei@126.com

方 勇，高級(jí)工程師。主要從事水利機(jī)械方面的研究。Email：fangyongshuilibu@126.com