跌流竖井入流水舌处内嵌圆弧板的结构优化数值研究

跌流竖井是排水系统中结构简单且应用广泛的排水基础设施之一,但该结构入流水舌处的水气两相作用剧烈、流态复杂,且在该处常常出现竖井内的最大负压,也就容易从外界大量吸气造成下游管道臭气逸散、井喷或爆管等问题。为此,提出在竖井水舌处设置内嵌圆弧板的结构优化方法,从而有效改善入流水舌流态,降低竖井内气压值和梯度变化,并减缓竖井从外界的吸气程度。在此基础上,采用Fluent三维数值模拟手段,对比分析了结构优化前后的流态、气压梯度、流速及水气分布等特性。结果表明,经过优化后的竖井模型改变了入流水舌处的液体流态,水流入射角度减小,水流撞击点的位置降低,竖井水舌处的负压值明显降低,垂直管内的整体压力梯度变化幅值减弱,从外界卷吸的气量也大幅度减小。可见所设计的新型竖井结构优化方法对跌流竖井入流水舌问题有较好的改善作用,同时也为排污管道竖井设计及优化提供一定的参考。     

跌流竖井结构优化及其气压特性数值模拟

针对入流水舌引起的跌流竖井内负压过大问题,对前人研究中的原始竖井模型进行了结构优化设计。采用可实现的 k-ε 湍流模型以及VOF两相流模型研究了不同入流量下原始竖井模型和优化竖井模型中的流态分布规律及气压分布情况,建立了可用于确定优化竖井模型中通气管道底部安装高程的水舌撞击模型,探讨了通气管道相对进水管的位置对优化模型中气压分布的影响。结果表明:进水管附近的跌落水舌束窄了井内气体的正常流通通道,水舌上方形成了大面积气体回流区,水舌下方补气不足,进水管附近负压突增现象明显；建立的水舌撞击模型能够较准确地预测出水舌末端的撞击点位置,最大误差不超过10%；得到的通气管道底部安装高程为2.31 m,顶部高程略高于进水管上壁面；相比原始竖井模型,优化竖井模型能够使负压突增区的压差降低70%以上,并且当通气管道与进水管水平中心延长线之间的夹角为30°时,优化竖井模型所发挥的效果最好。