关键词:
跌流竖井
入流水舌
气相扰动
内嵌圆弧板
水舌处循环
摘要:
跌流竖井作为地下排水系统中最重要的组成部分之一,承担着将水流从高处运移至低处的作用。竖井水流跌落时水气两相混掺严重,水流拖拽气体向下运动导致竖井下游气压增大,容易造成排水管井喷、爆管或是污水管臭气逸散等问题。而竖井内的最大负压通常都在其入流水舌附近,该负压值决定了竖井从外界卷吸的气体量。但目前竖井水舌处束窄空间内的气相扰动规律尚未研究清楚,竖井水舌处的结构特性及优化也知之甚少。因此,本文采用数值模拟的方法研究了跌流竖井水舌处的水气两相混掺状态,分析了竖井水舌处气相扰动和气压骤降的原因与规律;并根据水舌处的流态及气体流动特性设计了两种不同的跌流竖井结构改进方案,对比分析评价了原竖井与优化后竖井的流态特性、气压及流速分布等特征。主要成果有:
(1)探讨跌流竖井水舌处的水气两相混掺状态,分析竖井内的气体流动特性和气压分布。竖井内气压呈现“两头大,中间小”的分布特点,其中水舌处气压骤降,主要是由于水舌侵占气体通道并夹带周边气体流向下游,水舌后方产生较大负压,气体呈“螺旋式”向下方流动,此时,气体平均流速与气体通道占比呈反比。水舌处流态和气压会影响其他区域的气体流动,在竖井顶部形成两个回流区;而下游也有部分气体在压差的作用下向上游回流,流动过程中流速逐渐减小。
(2)设计一种改善水舌流态的内嵌圆弧板的竖井结构型式。该结构使用一段圆弧板将进水口延伸至竖井内,从而使水流由圆弧板直接流入竖井内,限制入流水舌处的水体扩散。增设圆弧板后,水流入射角平均减小60%,排水顺畅性加大,水流与竖井壁面撞击扩展程度有所减缓,竖井水舌处的气压增大,压力梯度变化减小,竖井从外界的进气量明显减小。
(3)提出一种有效过流的内循环结构方案。该方案基于跌流竖井水舌处较大负压及竖井气流内循环原理,在水舌下方设置气流通道平衡负压,以达到降低竖井内负压的目的。正常运行状态下,该优化结构能够形成较好的内部气体循环气流,降低竖井内的负压,外界进气量平均减小38%。理论计算同样表征了该种设计能增大水舌上方的内循环竖井的循环气流量。当遇极端流量时,该结构优化中部分水流可由原竖井通道下泄,过流能力得以保证。
本文研究结果进一步加深对跌流竖井入流水舌处水气两相混掺状态的认识。所设计的跌流竖井结构优化方法能够改善竖井过流条件,增大竖井运行稳定性,降低竖井气压。本研究为竖井设计及结构优化提供科学的理论基础和技术支持。