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(yùn)行對(duì)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(guò)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(duì)沖擊力的影響以及濕管條件下積水和淹沒(méi)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(lèi)號(hào)：TU 992" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中和多種因素的共同作用下，市政排水管道會(huì)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(wú)法順暢流動(dòng)[1]。局部淤堵不僅會(huì)影響正常的排水功能，還會(huì)加劇污水倒灌、管道腐蝕和排水設(shè)施損壞等問(wèn)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(duì)象，該排水管道直徑為200mm，選取段長(zhǎng)10m。通氣管直徑60mm，長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)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(gè)空間單元內(nèi)各相占據(jù)的比例，即一個(gè)空間單元內(nèi)占據(jù)該單元的液體或氣體的比例。通過(guò)追蹤不同相的體積分?jǐn)?shù)分布，可以模擬流體界面的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、合并以及分離等現(xiàn)象，體積分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程如公式（1）所示。

（1）

式中：t表示時(shí)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(jì)算流體力學(xué)中常用的一種湍流模型，用于模擬湍流流動(dòng)中的平均流場(chǎng)，通過(guò)將流場(chǎng)中的各物理量分解為時(shí)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(xiàng)，如公式（2）所示。

（2）

式中：μ和μT分別表示動(dòng)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(shí)際工程排水管道物理模型建立數(shù)值模型。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)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(jì)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(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，驗(yàn)證網(wǎng)格分辨率對(duì)模擬結(jié)果的影響。網(wǎng)格數(shù)量增長(zhǎng)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(wàn)、260萬(wàn)和311萬(wàn)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)分別為0.0003s、0.0006s和0.0009s。比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果可知，網(wǎng)格數(shù)量與時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)模擬結(jié)果精度的影響較小，可以忽略不計(jì)。結(jié)合計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為260萬(wàn)、時(shí)間步長(zhǎng)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(gè)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)測(cè)試截面，其中側(cè)點(diǎn)1位于淤堵物上游、測(cè)點(diǎn)2、3、4位于淤堵物部位，測(cè)點(diǎn)5位于淤堵物下游。

工況設(shè)置見(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)淤堵物的水力作用。

3 計(jì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(duì)較小。原因是流體以不同速度在某區(qū)域內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體的動(dòng)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(shí)，兩側(cè)流速會(huì)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(duì)較高。

在不同水流流量下，水流與淤堵物相互作用的過(guò)程可看作射流沖擊過(guò)程，因此可根據(jù)公式（3）計(jì)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(shí)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(duì)計(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)，水流流速主要取決于坡度的大小。不同坡度下水流對(duì)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(shí)，坡度越大水流對(duì)淤堵物的沖擊力越大，此外，不同坡度計(jì)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(shí)，修正系數(shù)分別取2.3、1.4和0.6，理論計(jì)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(shí)，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(dòng)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(shí)，可以通過(guò)淤堵物露出水面的高度預(yù)測(cè)其水流沖擊力，通過(guò)對(duì)計(jì)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(méi)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(shí)，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(duì)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(dòng)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(duì)淤堵物受力特性的影響，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)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(shí)間變化呈先瞬間增加、后迅速變小、再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；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(duì)較小。當(dāng)淤堵物高度一定時(shí)，坡度越大，水流對(duì)淤堵物的沖擊力越大。不同坡度沖擊力計(jì)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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