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泄流过程中折板型竖井水气两相流动特性研究

工程科学与技术 2021年第1期53卷 75-84页

作者：杨乾杨庆华赵子成林宏尧远牟祎西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 林同棪国际工程咨询(中国)有限公司重庆401121

折板型竖井因具有适用性强、消能效果好等优点,被广泛应用于深隧排水系统中,为充分揭示泄流过程中折板型竖井内高速水气两相流动特性,开展了1∶25水力模型试验,并采用Realizable k-ε模型和水气两相流VOF法进行数值模拟,研究不同入流条... 详细信息

折板型竖井因具有适用性强、消能效果好等优点,被广泛应用于深隧排水系统中,为充分揭示泄流过程中折板型竖井内高速水气两相流动特性,开展了1∶25水力模型试验,并采用Realizable k-ε模型和水气两相流VOF法进行数值模拟,研究不同入流条件下竖井内水气分布规律,阐明竖井湿区空穴区形成机理及干区气压变化过程,分析竖井壁面压强及折板水动力荷载分布。结果表明:竖井内“空穴区”的形成原因一方面是因为内部空气达到压缩极限而形成,另一方面是由于水流卷吸作用导致竖井湿区为负压而产生;大入流量时流速在竖井内呈现出“中部小、两头大”的分布规律,小入流量时流速沿竖井深度方向逐渐减小;当竖井盖板密封时,顶部压强介于-0.96~2.46 kPa之间,当盖板相对孔径大于0.105时竖井顶部压强基本为0;竖井壁面压强随着竖井高度的降低而增大,竖井上、中、下折板的壁面最大压强分别为42.25 kPa、21.5 kPa和16.75 kPa。研究结果对深隧排水系统折板型竖井设计理论与安全运营提供参考。

关键词：深隧排水系统折板型竖井水力特性数值模拟物理模型

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深隧排水折板型竖井泄流消能的试验研究

西南交通大学学报 2020年第6期55卷 1247-1256页

作者：杨乾杨庆华郑立宁田强刘永权姚锦涛牟祎尧远西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中建地下空间有限公司四川成都610073 解放军陆军工程大学国防工程学院江苏南京210007

针对深隧排水系统竖井泄流过程中高速气-水两相流动特性进行了水力模型试验研究,观测竖井内水流下泄过程中的型态,分析最大泄流量与折板间距的关系,计算不同工况下的竖井消能率,并揭示折板型竖井在泄流过程中的消能机理.试验结果表明:... 详细信息

针对深隧排水系统竖井泄流过程中高速气-水两相流动特性进行了水力模型试验研究,观测竖井内水流下泄过程中的型态,分析最大泄流量与折板间距的关系,计算不同工况下的竖井消能率,并揭示折板型竖井在泄流过程中的消能机理.试验结果表明:竖井在泄流过程中存在3种水流型态:撞壁受限流、临界流和自由跌水流;泄流过程中水跃是水流在折板上消能的主要原因,水流流至井底与反向流体互相撞击破碎使竖井达到最终消能的目的;当竖井直径D=0.4 m、折板间距d介于16.02~24.56 cm时,竖井最大泄流量介于(8.7~14.7)×10−3 m3/s,且d与最大泄流量Qm存在线性关系;根据能量守恒定律推导出消能率公式,得到d=19.4 cm、倾角θ=10°时的竖井消能率为最优;竖井盖板开孔直径Ф对竖井顶部压强的影响较大,当Ф≥4 cm时,竖井顶部相对压强基本为0,并且具有一定倾角的折板有利于加速竖井的泄流过程;上、中、下折板冲击力(Fu、Fm、Fd)呈现Fu>Fm>Fd的分布规律,上、中、下折板最大面荷载分别为42.8、30.7、22.8 kN/m2.深隧排水折板型竖井最佳泄流量和最优消能率的试验研究成果对深隧竖井工程的设计与运行提供了一定参考价值.

关键词：深隧排水折板型竖井泄流流型最大泄流量消能机理

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气爆过程中折板型竖井水力特性试验研究

西南交通大学学报 2023年第5期58卷 1026-1036页

作者：杨乾杨庆华陈峰牛丙坤西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中国五冶集团有限公司四川成都610063

为研究水深、进气压、进气量和干/湿区连通面积等参数与气爆产生机制之间的响应关系,首先,构建了1∶50水力模型试验系统,观测气爆喷射过程并分析竖井内压强变化规律;其次,通过气爆定义建立了竖井最大喷射高度预测模型及产生气爆临界条件... 详细信息

为研究水深、进气压、进气量和干/湿区连通面积等参数与气爆产生机制之间的响应关系,首先,构建了1∶50水力模型试验系统,观测气爆喷射过程并分析竖井内压强变化规律;其次,通过气爆定义建立了竖井最大喷射高度预测模型及产生气爆临界条件;最后,对比分析了多种变量对竖井底部不同折板冲击荷载的影响.结果表明:气爆过程中折板型竖井内压强剧烈波动,一方面是由于高压气团的释放所导致,另一方面是因高速运动的水气混合物使得竖井内局部气压不平衡所形成;采用多元线性回归模型建立的经验公式可有效预测折板型竖井气爆最大喷射高度;结合不同变量与气爆强度之间响应关系提出的临界条件能够准确判断气爆是否发生;产生气爆时竖井底部折板的水冲击荷载除了与进气压、折板淹没状态、测点位置等因素有关以外,还与水气混合物喷射在折板底部时的随机性有关,气爆过程中折板下方最大水冲击荷载大于10倍正常泄流状态下折板表面的水动力荷载.

关键词：折板型竖井气爆压强喷射高度冲击荷载

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折板型竖井结构设计参数优化

长江科学院院报 2020年第12期37卷 72-80页

作者：杨庆华尧远杨乾赵子成林宏牟祎姚锦涛西南交通大学土木工程学院成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司成都610031 林同棪国际工程咨询(中国)有限公司重庆401121

折板型竖井是城市深隧排水系统中一种消能效果明显的水工结构,竖井的结构参数对其泄流量和消能率有重要影响。通过开展物理模型试验和基于Realizable k-ε湍流模型和VOF法的数值模拟,分析不同折板间距和折板倾角的竖井水流流型、最大泄... 详细信息

折板型竖井是城市深隧排水系统中一种消能效果明显的水工结构,竖井的结构参数对其泄流量和消能率有重要影响。通过开展物理模型试验和基于Realizable k-ε湍流模型和VOF法的数值模拟,分析不同折板间距和折板倾角的竖井水流流型、最大泄流量、出口流速及消能率。研究结果表明:折板型竖井中基本水流流型有3种,分别为撞壁受限流、临界流和自由跌流;一定范围内增大折板倾角有利于水流流型从撞壁受限流向自由跌流转变,因此,在折板竖井设计中应使折板有适当的角度;竖井的最大泄流量随着折板间距和折板倾角的增大而增大,消能率随泄流量的增大而减小;从竖井的泄流能力和消能效果两方面考虑,当竖井直径为10 m时,折板间距4.85 m,折板倾角为9°-11°的竖井体型为最优。研究成果可为深隧排水系统的设计提供技术支撑。

关键词：折板型竖井模型试验数值模拟结构参数优化深隧排水系统

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深隧折板型竖井气爆危害及控制措施研究

深隧折板型竖井气爆危害及控制措施研究

作者：陈峰西南交通大学

学位级别：硕士

随着城市化进程的不断推进,基于海绵城市理念的深层隧道排水系统成为大城市解决内涝灾害、消除溢流污染的重要途径。由于深隧系统落差较大,需采用竖井对雨污水进行运输与消能,而折板型竖井因其适用性强、消能效果显著等特点被广泛应用... 详细信息

随着城市化进程的不断推进,基于海绵城市理念的深层隧道排水系统成为大城市解决内涝灾害、消除溢流污染的重要途径。由于深隧系统落差较大,需采用竖井对雨污水进行运输与消能,而折板型竖井因其适用性强、消能效果显著等特点被广泛应用。正常泄流时,雨污水在竖井内自上而下流动,而在强降雨条件下,深隧系统中雨水快速填充,过程中挟带大量空气进入主隧道形成高压截留气团,当截留气团到达下游竖井时迅速释放并带动竖井内的水流向外喷出,引发严重的气爆危害。当气爆在折板型竖井中形成时,高速气液两相流可能从干区喷出并掀飞井盖,也可能在湿区冲断折板,造成结构破坏,严重威胁生命及财产安全。因此,论文开展了长度比尺为1:50的水工物理模型试验并结合数值模拟,对折板型竖井内气爆的发生机理及危害进行了研究与分析,并在此基础上对其控制措施进行了一系列探索。主要研究成果如下:(1)通过观察试验中的气爆现象,分析关键位置压强的变化规律并结合对空泡份额以及水平管直径的研究,揭示了折板型竖井内的气爆发生机理:由于高压气团“持续”或“阶段性”释放,导致竖井内液体发生高度雾化,并在竖井底部入口处形成巨大压强差,在雾化与压差的共同作用下,混合流体从折板型竖井的干区喷出并在湿区猛烈冲击折板。(2)明确了气爆在折板型竖井干区和湿区内引发的两种不同类型的危害,分别为在干区掀飞井盖引发的交通安全隐患以及在湿区冲断折板引发的结构破坏,并指出了试验中表征两种危害的关键参量分别为气爆喷射高度和折板冲击荷载,进而分析了两者随进气压、进气量以及初始水深等气爆初始条件的变化规律。分析结果表明:气爆喷射高度与进气压和进气量呈正相关,而随初始水深的增大呈现出先减小后增大的趋势,初始水深约为竖井高度1/4时将使气爆喷射高度降至最低;折板冲击荷载亦与进气压和进气量呈正相关,与初始水深之间无明显相关性,但当竖井内自由液面“紧邻”折板时,折板将会承受较大冲击荷载。在此基础上,分别建立了气爆喷射高度和最大冲击荷载的预测模型,该预测模型可预估不同初始条件下的气爆危害程度。(3)在研究了折板型竖井内气爆发生机理和危害的基础上,从联络管接入方式、干湿区连通区域、限流孔板以及节流通气管等多个角度对气爆的控制措施展开了研究。主要得到以下结论:联络管接入湿区可降低较大冲击荷载出现的概率;增大干湿区连通区域面积可减弱折板所受冲击荷载,且调整联通区域位置可以有效降低气爆喷射高度;限流孔板的设置可以大幅削减气爆喷射高度,但为防止孔板自身结构受荷破坏,其开孔面积不宜过小,且孔板的最优设置位置为竖井中部;节流通气管的设置可有效抑制气爆的喷发并减弱折板冲击荷载,节流通气管的最优设置位置约为联络管长度2/3处(远离竖井一端)。进而提出折板型竖井气爆综合控制方案:联络管接入湿区的同时将干湿区连通区域开辟在中隔板边缘,并在竖井高度1/2处和联络管长度2/3处(远离竖井一端)分别设置限流孔板和节流通气管。上述研究成果揭示了折板型竖井内的气爆发生机理,明确了折板型竖井内的气爆危害类型,并建立了相应的预测模型以预估不同初始条件下的气爆危害程度,进而提出了多种控制措施及方案。该成果可为折板型竖井正常安全运行提供重要技术支撑和理论指导。

关键词：深层隧道排水系统折板型竖井气爆气液两相流控制措施

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折板型深隧竖井泄流消能水力特性试验研究

折板型深隧竖井泄流消能水力特性试验研究

作者：尧远西南交通大学

学位级别：硕士

随着城市建设步伐的加快,城市内涝问题也日益严峻,受空间条件和经济因素的制约,对浅层排水管网的改造难度很大且收益较低,因此,具有海绵城市建设理念的深隧排水系统工程成为解决城市内涝灾害、消除溢流污染的主要途径。由于深隧排水系... 详细信息

随着城市建设步伐的加快,城市内涝问题也日益严峻,受空间条件和经济因素的制约,对浅层排水管网的改造难度很大且收益较低,因此,具有海绵城市建设理念的深隧排水系统工程成为解决城市内涝灾害、消除溢流污染的主要途径。由于深隧排水系统落差较大,因此需采用竖井进行水流的运输与消能。折板型竖井是城市深隧排水系统中常用的竖井消能工之一,具有大小流量均适用,消能效果好等优点。折板型竖井是一种新型竖井消能工,目前关于该型竖井泄流消能水力特性的相关研究仍然较少,因此,论文通过物理模型试验和数值模拟,对折板型竖井内部各水力要素和消能机理进行分析,在分析水力要素的基础上对竖井的结构进行改进,最后得到折板型竖井的无量纲结构参数的合理取值。论文主要研究成果如下:(1)通过物理模型试验得出:折板型竖井中水流基本型态包括撞壁受限流,临界流和自由跌流三种。折板间距越大,折板倾角越小,水流越容易发生从自由跌流向撞壁受限流的转变,而撞壁受限流这一水流型态不利于水流的消能,在对折板间距和折板倾角进行设计时应尽量避免此种水流型态的产生。为保证竖井的结构安全,避免竖井因气压过大发生“气爆”,应在竖井顶板设置直径约为1m的排气孔。折板型竖井的最大泄流量随折板间距和折板倾角的增大而增大。(2)运用Ansys Fluent软件,采用基于VOF法的Realizable k-ε紊流模型对折板型竖井进行数值模拟,将数值模拟和水力模型试验观测的水流型态进行对比后发现,数值模拟对自由跌流这一流态的模拟结果与实际观察较为吻合,且可以清晰地观察出折板边缘处的水跃现象。数值模拟结果表明:随着折板倾角的增大,水流水平跌落距离L变短,折板间的水流分布变得更加分散,当折板倾角增加至20°时,水流中心跌落点则靠近竖井中心线,这一现象与水力模型试验观测的水流型态相吻合,进一步验证了数值模拟结果的准确性。(3)通过数值模拟,分析了折板型竖井内部流速、压强;出水管段水流型态、沿程流速、沿程压强等水力要素的分布规律,并对竖井消力井段和出水管段进行了优化。得出:入流量越大,水流从第一层折板跌落至最后一层折板的过程中流速梯度变化越大,消能效率越好;竖井内部压强从上往下逐渐增大;消力井深越大,静水压强越大,冲击压强越小且分布越均匀;当无量纲消力井深大于0.1时,继续增加消力井深度对竖井消能率的影响可忽略不计。为防止竖井出水管段发生爆裂,应在出水管段设置排气管以及时排出气体,根据出水管段水流型态的不同,可将出水管段依次划分为气液掺混区,气体逸出区,气体排出区和水流平稳区。(4)折板倾角不同时,水流在折板间的消能方式也不相同。当折板无倾角时,主要通过在竖井边壁产生的水跃进行消能,当折板有一定倾角时,水流通过在折板之间产生的较强烈的漩涡运动进行消能,而后者的消能效果要优于前者。从竖井的泄流能力和消能效果考虑,折板倾角的最优取值约为10°,无量纲折板间距的最优取值约为1.0～1.2,无量纲消力井深最优取值约为0.15。在此结构参数下,水流在折板末端的消能率可达90%以上,在竖井出口处的消能率可超过97%。

关键词：城市深隧排水系统折板型竖井 Realizable k-ε紊流模型水力特性结构优化

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气爆危害对深隧竖井折板荷载的影响分析

安全与环境学报 2023年第4期23卷 1123-1129页

作者：杨庆华陈峰杨乾牛丙坤西南交通大学土木工程学院成都610031 江苏新慧恒工程项目咨询有限公司江苏无锡214071 中国五冶集团有限公司成都610063

深层隧道排水系统中的气爆危害将使竖井折板承受巨大的反向冲击荷载,严重威胁结构安全。为研究其荷载变化趋势,开展了长度比尺为1∶50的气爆模型水力试验,分析进气压、进气量、初始水深和联络管接入方式等关键因素的取值变化对冲击荷载... 详细信息

深层隧道排水系统中的气爆危害将使竖井折板承受巨大的反向冲击荷载,严重威胁结构安全。为研究其荷载变化趋势,开展了长度比尺为1∶50的气爆模型水力试验,分析进气压、进气量、初始水深和联络管接入方式等关键因素的取值变化对冲击荷载的影响。结果表明:气爆对折板的反向冲击荷载可达正向水动力荷载的20倍以上且与进气压和进气量均呈正相关;当竖井内自由液面“紧邻”折板且联络管接入干区时,折板将大概率承受较大的冲击荷载。在试验研究基础上,分别拟合出了联络管接入湿区和干区时的最大冲击荷载预测式。研究成果可为折板型竖井正常安全运行以及结构设计优化提供技术支撑和理论指导。

关键词：安全工程深层隧道排水系统气爆危害折板型竖井冲击荷载模型试验气液两相流

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折板倾角对深隧竖井水力特性的影响分析

四川建筑 2020年第2期40卷 219-222页

作者：尧远西南交通大学土木工程学院四川成都610031

折板型竖井是城市深隧排水系统中一种有效的竖井消能结构,折板倾角作为折板竖井的一项重要设计参数,目前尚未有学者进行相关研究。因此,文章基于某种间距的折板型竖井,在无排气孔,设置直径2 cm以及4 cm排气孔三种工况下,分别改变折板倾... 详细信息

折板型竖井是城市深隧排水系统中一种有效的竖井消能结构,折板倾角作为折板竖井的一项重要设计参数,目前尚未有学者进行相关研究。因此,文章基于某种间距的折板型竖井,在无排气孔,设置直径2 cm以及4 cm排气孔三种工况下,分别改变折板倾角为0°、10°以及20°进行竖井泄流消能的物理模型试验,得到三种倾角下的竖井水流型态,竖井顶部压强和竖井消能率。研究结果表明:折板倾角的大小会改变水流型态。折板倾角为0°时,水流型态有撞壁受限流、临界流和自由跌流三种型态,折板倾角为10°和20°时,仅有自由跌流一种型态。为保证结构的安全性,需设置一定尺寸的排气孔,且折板倾角为10°时竖井的泄流效率和消能率均最好。该研究成果可为实际工程中折板倾角的选取提供一定参考。

关键词：折板型竖井水力模型折板倾角水力特性