雨箅子对水流下泄影响的研究.pdf
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1、为了减少由短时强降雨或持续降雨量超过城市综合排涝能力所导致的城市内涝灾害,需要对城市排水设施进行优化。【方法方法】本研究通过对原有雨箅子进行改良,采用涡轮状结构代替部分原有结构,利用涡轮结构优势提高雨水口的过流能力,在相同的流量下通过物理水槽模型,使用普通条状、两个涡轮、四个涡轮三种类型的雨箅子,研究箅前水深。使用FLUENT软件结合水流运动方程,研究普通条状和双涡轮雨箅子的水流下泄速度和水流箅后速度。【结果结果】结果表明:双涡轮的雨箅子箅前水深最小;普通条状的雨箅子箅前水深居中;四涡轮的雨箅子箅前水深最大。水流通过双涡轮的雨箅子的下泄速度大于普通条状雨箅子,但箅后速度小于普通条状雨箅子。【结
2、结论论】该研究精确模拟了水流经过雨箅子的过程,有助于深化认识雨箅子的泄流规律,为城市的内涝管理提供重要的指导意义。关键词:水槽模型;雨箅子;数值模拟;水流速度中图分类号:TU992文献标志码:A文章编号:1003-5168(2023)13-0063-05DOI:10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.012Study on the Influence of Rain Grate on Water FlowZHU Yu1SUN Xiaoming2XU Zhiheng1(1.North China University of Water Resources and E
3、lectric Power,Zhengzhou 450046,China;2.Dongping Lake Authority,Shandong Province,Jining 272000,China)Abstract:Purposes In order to reduce urban waterlogging disasters caused by short-term heavy rainfall or continuous rainfall exceeding the comprehensive drainage capacity of the city,it is necessary
4、tooptimize urban drainage facilities.Methods In this study,the original rain grate was improved,theturbine-like structure was used to replace part of the original structure,the advantages of the turbinestructure were used to improve the overflow capacity of the rainwater outlet,and the water depth i
5、n frontof the grate was studied by using three types of rain grates,ordinary strip,two turbines and four turbines,through the physical sink model under the same flow rate.Using FLUENT software combined with theequation of water flow motion,the water flow downflow velocity and the water flow grate af
6、ter the waterflow grate of ordinary strip and twin turbine rain grates were studied.Findings The results show that thewater depth in front of the grate of the twin-turbine is the smallest;the water in front of the ordinarystrip-shaped rain grate is deep in the center;the four-turbine rain grate has
7、the greatest water depth infront of the grate.The discharge speed of water flow through the twin-turbine rain grate is greater than64第13期that of ordinary strip rain grate,but the speed behind the grate is less than that of ordinary strip raingrate.Conclusions This study accurately simulates the proc
8、ess of water flowing through the rain grate,which is helpful to deepen the understanding of the discharge law of the rain grate,and provides important guiding significance for the urban waterlogging management.Keywords:sink model;rain grate;numerical simulation;water velocity0引言近年来,随着我国城市化的高速发展,市政道路
9、也逐步得到完善,形成了较为完整的城市交通链接网1-2。雨箅子作为常用的排水设施,因其具有良好的截流泄水功能,在市政道路工程中得到广泛应用3。然而在雨水多的季节,由于降雨量过大,部分道路上的雨箅子依然会出现排水不及时的情况,导致路面大量积水,对交通甚至人民生命安全造成严重影响4-6。因此,研究雨箅子的排水特性,提升雨箅子的排水能力对于市政工程具有重要意义。目前,国内外学者主要通过物理模型和数值模拟,研究水流通过雨水口的泄流能力,并提出一系列泄流量计算公式。张珂等7利用RNG紊流模型模拟得出雨水口的泄流能力与雨箅子是否被淹没具有一定相关性的结论。张林洪等8通过对不同形式的雨水口箅子的泄水量进行试验
10、研究,对雨水口设计提出了推荐方案。刘雷斌等9通过搭建雨水口过流特性试验水工模拟平台,对城市道路中常见的偏沟式、联合式、立箅式雨水口的收水量进行系统的试验研究,得出不同城市道路下雨水口的收水量关系曲线,为城市道路雨水口优化设计提供理论数据。此外,吴鹏等10、李鹏等11都通过模型试验对不同形式的雨箅子的排水能力及流量系数进行了分析和率定。柳威12针对不同纵坡和栅条角度对雨箅子排水特性的影响展开对比分析,然而受到试验条件的限制,其研究成果均具有一定的适用条件。陈倩等13采用完整的雨水口结构,通过开展模型试验对较大水深下雨水口泄流能力进行了研究,并基于堰流及管嘴出流模式及量纲分析法提出了较为通用的计算
11、公式。上述研究中陈倩精细考虑了雨水口本身结构的影响,但仅对一种特定规格的雨水口进行试验,没有考虑雨箅子形式对雨水口泄流量的影响。基于此,该研究以市政道路排水设施为背景,在原有雨箅子的结构基础上设计了新型雨箅子,通过物理模型试验和数值模拟对比分析了新型雨箅子与普通雨箅子在不同进口流量下的箅前水深、下泄流速与箅后流速,分析雨水通过雨水口的下泄过程。1物理模型1.1水槽的结构设计该水槽模型设计成自循环装置,由前池、水槽、下泄水箱、尾水箱组成,结构如图1所示。其中前池长 15 cm、宽 50 cm、高 40 cm,水槽长 200 cm、宽50 cm、高 10 cm。下泄水箱长 35 cm、宽 20 c
12、m、高50 cm,尾水箱长15 cm、宽50 cm、高60 cm。前池底部下放石子,使水流通过水泵后平稳流入水槽。为向水槽提供均匀平缓、流量可测的径流,对设置在水槽前方的前池部分进行消能处理。图1水槽整体1.2雨箅子结构设计参考相关资料并结合实际情况,对原有雨箅子进行改良,设计两种不同样式的新型雨箅子。新型雨箅子在普通雨箅子的基础上进行一定程度的改良,用涡轮样式结构替代部分原有结构。新型雨箅子的涡轮样式结构由框体和弧形雨水箅条组成,框体为圆形,如图 2 所示。中间孔直径 1 cm,分三层每层12个孔由内孔到外孔直径依次为4 mm、6 mm、8 mm。所有雨水箅条以中心孔为圆心排成涡轮状,并以
13、0.3的坡度向中心旋转,弯曲曲率为15。该设计可以使水流通过时形成漩涡。根据水力学原理,杂物因为离心力及重力作用,质量较轻的漂浮物如树叶会汇集到涡流外围随水流不停回转直至水流完全排空,避免其沉积堵塞到箅子上。普通雨箅子如图 3 所示,长为 350 mm、宽为200 mm,其中矩形泄水口尺寸为 100 mm13 mm。四涡轮雨箅子如图4所示,中间设计7个矩形泄水朱裕,等.雨箅子对水流下泄影响的研究前池水槽下泄水箱尾水箱下放石子缓流装置第13期65口,涡轮直径为 90 mm,竖式排列,两涡轮间距为100 mm。双涡轮雨箅子涡轮直径100 mm,中间同样设计7个矩形泄水口,为了试验的准确性,使排水面
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