综合管廊排水系统的运行规律研究

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综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。它是载运工具的一种新形式,各种市政管线运输集于一体进行节约化管理,能够有效地提高人民生活水平。然而,综合管廊的安全运营和维护是保障人民生命财产安全的重要一环,其安全问题不可小觑。排水系统是综合管廊附属设施中提供排水安全的支柱,目前国内管廊结构中,排水系统主要包括集水坑、潜水泵、排水管道、排水渠、潜水泵支架等。排水系统在实际运行的过程中容易出现水泵的过度振动、排水管道内水流速度和压力下降、集水坑内形成大量涡等现象,这些现象的出现将严重影响排水系统的工作效率和可靠性,甚至会导致潜水泵损坏、廊内积雨成灾。目前,暴雨对管廊造成的影响极大,在全国的25个管廊试点城市中,暴雨曾对综合管廊造成影响的城市已达半数之上,人们对此叫苦不迭。因此,本文通过计算流体动力学仿真和模拟试验验证的方法对综合管廊排水系统进行研究,得出排水系统的运行规律,可为综合管廊排水系统的安全评价和设计提供参考。在综合管廊排水系统的计算流体动力学仿真方面,本文提出了排水系统流体动力学数值模拟分析模型,对模型进行了参数计算和计算流体动力学模型的建立,进行了包括计算模型简化、入水速度函数UDF编译等前处理工作,在此基础上讨论了在入水流速、排水管管径、集水坑尺寸不同的工况下排水系统内部速度场、压力场和湍动能的变化规律。集水坑内的水流动可分为紊乱态和稳定态(即前期和稳定期),对于速度场,在前期,经由排水渠出口处的水流流速率先保持不变,而后在水流速度水平和垂直的过度区有所减小,最后在管壁附近处形成不同的速度梯度;在稳定期,排水管靠近中心的区域流速较小,靠近管壁的区域流速较大,外来来流在排水口处与原有水流流场掺混形成了涡,且在每一种工况下,吸水口正下方都对应着一块低速度区域。对于压力场,喇叭口左右内部尖角处区域的压力均较其它处偏小,排水口附近的压力较其它处更大;集水坑的空间越大,压力波动越小,排水口附近的压力越稳定;集水坑空间尺寸越大,稳定值与平均值越接近,即|S-A|的值越小,水流压力越易于稳定在平均值上,可用来粗略估计排水管道中稳定压力的值;压力波动的范围与集水坑尺寸无关。对于湍动能,动能都集中在吸水口处;入水速度为零时近壁区的湍动能高于管内的湍动能;集水坑尺寸越大,水体的湍动能越小,对排水效率越有利。然后研究了潜水泵的临界淹没深度对排水系统运行状态的影响,拟合出了三种不同工况下的公式,最后与何耘公式、Knauss经验公式和Hecker经验公式进行了对比,结果表明临界淹没深度与弗劳德数之间的关系趋近于Hecker经验公式。在综合管廊排水系统的模拟试验方面,本文提供了排水系统测试的一套思路和方法,通过传感器、潜水泵、管路等选型并组合搭建了排水系统模拟试验平台,然后进行了排水系统模拟试验,与计算流体动力学的仿真结果进行对比分析,结果表明仿真结果可以较好的反映出暴雨条件下排水系统的运行状态。
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