雨箅子对水流下泄影响的研究.pdf

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 Electric 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 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 in 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 after 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 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 process 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 cm、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 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，使排水面积相同，双涡轮雨箅子多开设 4 个矩形泄水口，如图5所示。图2雨箅子涡轮模型图3普通雨箅子图4四涡轮雨箅子图5双涡轮雨箅子2试验过程及数据分析2.1试验过程通过调节水阀开度提供三种进口流量，并在入口处用三角堰测量出进口流量的具体数值。待测试雨箅子设置在距离径流入流处1.2 m的位置，当雨箅子表面径流开始稳定下泄到水箱后，获取箅前水深数据，比较在同等进口流量条件下，不同样式雨箅子的下泄情况，从而分析不同类型的雨箅子对下泄的影响。为了使试验更贴近实际情况，随机选取一些树叶让其随径流一起流动，观察树叶流动轨迹以及新型雨箅子引起的水流流态是否对树叶等杂物有阻碍堵塞的作用。2.2数据分析在本次试验中，为测量在不同的流量条件下三种不同样式雨箅子的过水能力，通过控制水阀开度来调节三种进口流量（即在水阀开度为1/4、1/2与全开时分别进行试验），通过前池上的三角堰可以测得在不同水阀开度条件下大中小进口流量的具体值。待水流稳定后，用直尺测量箅前水深，分析三种流量下不同雨箅子的水流下泄能力。试验结果见表1，箅前水深平均值如图6所示。通过分析图表数据可以得到：当流量为3.95 L/s时，双涡轮雨箅子的箅前平均水深为1.86 cm，小于普通雨箅子的2.10 cm和四涡轮雨箅子的2.48 cm；当流量为6.23 L/s，双涡轮雨箅子的箅前平均水深为1.60 cm，普通雨箅子为1.80 cm，四涡轮雨箅子为2.10 cm，两涡轮雨箅子的箅前水深最小；当流量为8.16 L/s，双涡轮雨箅子的箅前平均水深为1.42 cm，小于普通雨箅子的1.54 cm，也小于四涡轮雨箅子的1.84 cm。过流能力最好的是双涡轮雨箅子，其次是普通雨箅子，过流能力最差的是四涡轮雨箅子。为深入研究四涡轮雨箅子的过水能力最差的原因，将水槽中的水重新循环，试验现象如图7所示。表明水流通过四涡轮雨箅子时，由于水流的速度和方向突然发生变化，四周的涡轮会使水流产生漩涡，四个漩涡相互碰撞，水流态不稳，导致水流无法顺利下泄。研究杂物流经双涡轮雨箅子的下泄过程，在水槽中放入树叶。为使试验现象更明显，在水中加入高锰酸钾溶液，观察到当树叶顺水流经过涡轮雨箅子的漩涡流时，树叶会随水流旋转并漂浮在水体表面，而不是沉入水中。因此，当水流中出现漂浮的落叶等较轻的悬浮物时，涡轮雨箅子的漩涡流可以使落叶受到影响而随漩涡漂浮在水面上，不致堵塞进水口造成雨水下泄不畅，试验现象如图8所示。表1流量箅前水深关系流量/（L/s）3.956.238.16箅前水深/cm普通雨箅子1.91.71.421.71.42.41.91.62.11.81.72.11.91.6双涡轮雨箅子1.71.51.41.71.61.32.21.81.61.81.61.31.91.51.5四涡轮雨箅子2.31.91.72.42.01.72.72.32.02.52.22.02.52.11.8图6流量箅前水深关系3.04.56.07.59.02.52.01.51.0箅前水深10 m普通双涡轮四涡轮流量/(L/s)朱裕，等.雨箅子对水流下泄影响的研究66第13期图7四涡轮雨箅子使水流流态不稳图8树叶在雨水口旋转3数学模型3.1模型建立因四涡轮雨箅子的泄水能力最差，所以在此不做研究，数学模型只研究双涡轮雨箅子和普通雨箅子的泄水过程。本次数值模拟采用的雨箅子尺寸与雨箅子实物尺寸比例为1 1，水槽材料为亚克力板，装置水平放置。采用Fluent商业软件模拟水槽内部流场：以实际试验为依据，入口边界设置入口处来水流量分别为3.95 L/s、6.23 L/s、8.16 L/s，出口边界为压力出口，湍流模型选为RNG K-epsilon，模拟求解器选用3D双精度，算法则采用收敛速度较快的SIMPLE算法。此外，为研究水流在涡轮样式雨箅子中的真实流态，提高模拟的真实性，网格设计趋于紧密。利用ICEM CFD进行网格划分，对本次模拟使用混合网格，在带有涡轮结构位置处即每个孔的进出口设置四面体（非结构）网格，在水流入口、出口及计算域中水槽内设置六面体（非结构）网格。四面体网格具有计算精度高等特点，满足研究涡轮结构运行时的工作状态的需求，六面体网格具有计算速度快等特点，满足对非重点研究区域的需求。3.2不同样式雨箅子剖面流速分布三种不同进口流量下（3.95 L/s、6.23 L/s 及8.16 L/s），普通雨箅子Y方向水流流速及双涡轮雨箅子Y方向水流流速见表2。分析可知：水槽水流由左向右出水，在箅前其流态为明渠均匀流。从表2可以看出，在同样流量下，两种不同形式的雨箅子箅前水流大致相同，因此也间接证明了装置的可行性及两种形式雨箅子的可比性。当水流经过双涡轮雨箅子表面时，其流态发生变化，Y方向代表经雨箅子流入水箱的竖直方向，对于普通样式雨箅子来说，在来水流量为3.95 L/s、6.23 L/s及8.16 L/s时，其经过箅子后的流速分别为0.07 m/s、0.12 m/s及0.15 m/s，对于双涡轮雨箅子过箅子后的流速分别为0.17 m/s、0.24 m/s及0.30 m/s。分析所得数据可知，对于同一个形式的雨箅子在流量变化时，其水流下泄速度随着流量的增大而增大；对于两种不同形式雨箅子，双涡轮雨箅子要比普通雨箅子下泄速度快。其原因在于双涡轮雨箅子形成的漩涡使水流在下泄的时候速度发生剧增，使得双涡轮雨箅子的排水能力强于普通雨箅子。三种不同进口流量下（3.95 L/s、6.23 L/s 及8.16 L/s），普通雨箅子Z方向水流流速及双涡轮雨箅子Z方向水流流速见表3。Z方向代表经雨箅子流入尾水箱的水平方向，以此方向为速度正方向。在同样来水流量为3.95 L/s、6.23 L/s及8.16 L/s时，对于普通雨箅子来说，水平流速分别为-0.02 m/s、-0.03 m/s及0.04 m/s，对于双涡轮雨箅子其过箅子后流速分别为-0.04 m/s、-0.07m/s及-0.09 m/s，对比可得在沿着水流方向，即Z方向，水流经过普通雨箅子要比双涡轮雨箅子流速大。双涡轮雨箅子Z方向流速小，甚至速度方向发生变化，说明了涡轮结构对其流过的水流有汇集作用，使得水流不易向箅后流动，也说明了涡轮结构在Y方向上速度大的原因。4结论采用物理模型和数值模拟相结合的方法得出以下结论。通过物理模型试验，当来水流量相同的情况下，双涡轮雨箅子的箅前水深最小（分别为1.86 cm、1.60 cm、1.42 cm），普通雨箅子的箅前水深居中（分别为2.10 cm、1.80 cm、1.54 cm），四涡轮雨箅子的箅前水深最大（分别为 2.48 cm、2.10 cm、1.84 cm）。双涡轮雨箅子的过流能力最强。通过数值模拟可以发现，双涡轮雨箅子Y方向的水流流速（下泄流速）大于普通雨箅子Y方向的水流流速；双涡轮雨箅子的 Z 方向的水流速度（箅后流速）小于普通雨箅子 Z 方向的水流流速。因为涡轮的漩涡对水流有汇聚作用，让水流的下泄流速增大，从而箅后流速减小。本研究涉及的物理模型和数值模拟没有考虑雨水口堵塞的情况，但是日常生活中这种情况非常普遍，以后研究此类问题，应把雨水口的堵塞情况考虑进去。朱裕，等.雨箅子对水流下泄影响的研究第13期67参考文献：1 刘龙志，王浩正，黄荣，等.流域治理视角下排水系统匹配性评估方法 J.中国给水排水，2021，37（6）：24-30，37.2 刘广奇，赵志伟，白桦.基于复杂网络理论的城市供排水系统规划优化J.中国给水排水，2020，36（13）：113-118.3 张珂，侯精明，宁利中，等.道路雨水口水力特性的数值分析 J.水动力学研究与进展（A 辑），2020，35（6）：697-704.4 张建云，宋晓猛，王国庆，等.变化环境下城市水文学的发展与挑战：I.城市水文效应 J.水科学进展，2014，25（4）：594-605.5 JOEL E C.Human population：the next half centuryJ.Science，2003，302（5648）：1172-1175.6 张建云，王银堂，贺瑞敏，等.中国城市洪涝问题及成因分析 J.水科学进展，2016，27（4）：485-491.7 张珂，宁利中，张迪.雨水口泄流特性的三维数值模拟研究 J.给水排水，2020，56（S1）：979-985.8 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