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顶托作用下雨水管道与河道的水动力相互作用机制研究

顶托作用下雨水管道与河道的水动力相互作用机制研究

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作者：朱悦茹浙江大学

学位级别：硕士

近年来,暴雨内涝灾害在我国大中城市凸现,并呈现普发性、群发性和持续频发性特征,已严重影响城市运行、居民生活和经济发展。造成城市内涝的原因有很多,其中下游河道高水位顶托造成的雨水管道排水不畅可显著影响内涝灾害的严重程度。因... 详细信息

近年来,暴雨内涝灾害在我国大中城市凸现,并呈现普发性、群发性和持续频发性特征,已严重影响城市运行、居民生活和经济发展。造成城市内涝的原因有很多,其中下游河道高水位顶托造成的雨水管道排水不畅可显著影响内涝灾害的严重程度。因此,正确认识顶托背景下雨水管道与河道之间的水动力相互作用过程,准确评估顶托影响下雨水管道的实际排水能力,尤其是与下游受纳水体相连管道的实际排水能力,对城市排涝防洪规划与设计至关重要。瞄准该问题,本论文搭建雨水管道-河道水力试验装置,基于开源流体力学计算软件OpenFOAM开发二维、三维数值模型,研究顶托作用下雨水管道-河道交汇处的水动力作用过程,重点关注顶托对管道排水能力的影响,并将结果与管道排水能力理论计算值,工程设计值以及城市排水模型Storm Water Management Model(SWMM)的模拟结果进行对比。本文的主要研究内容和重要结论如下。首先,本研究自主设计并搭建了雨水管道-河道水力试验物理模型。在15.9 m×15.5m的实验室按照弗劳德相似准则设计管道-河道水力试验装置,并确定了57个试验工况。试验中提出了非满管流量的测量方法,阐释了不同工况下满管流、下游空腔流和自由表面流三种管道流动状态,并根据试验中的流态情况,通过能量守恒和曼宁公式计算管道排水量的理论值。此外,初步试验中发现在顶托程度较低的情况下,雨水管道-河道交汇处的水气掺混剧烈,在顶托程度高的情况下管道淹没出流,雨水管道-河道交汇处水面较为平静。其次,本研究构建了管道-河道耦合二维和三维数值模型。基于开源计算流体力学软件OpenFOAM构建二维、三维试验模型,先通过二维模拟高效捕捉管道中的明满交替现象,研究管道排水量随顶托程度变化的趋势;再通过三维精细模拟,厘清管道稳定后满管流、上游空腔流和自由表面流三种不同的流态以及各流态发展过程,获得管道排水量的三维模拟结果。通过与试验数据对比,三维OpenFOAM数值模拟的管道流态与试验中的流态吻合较好,模拟的管道过流量与试验基本一致,误差在15.0%左右。此外,本研究还构建工程普遍应用的SWMM模型,获得不同工况下管道排水量的SWMM模拟结果。最后,本文重点研究了顶托作用下雨水管道与河道的水动力相互作用过程。根据降雨事件的发展历程划分不同的管道-河道相互作用阶段,研究发现:在降雨前期,下游河道水位上升,顶托作用增强,但管道上游来流量也在加大,在此工况下,由于管道过流面积增加,排水量在非满管时随着下游河道水位升高而快速增加,其中管道流态从非满管变化到满管时流量突增,试验过程中发现管道过流能力增幅可达40.4%;在降雨中期,上游管道来流基本不变,下游河道水位继续提升,顶托作用进一步增强,尽管过流面积增加,但此时管道排水量在非满管时随着顶托的增加基本不变,形成满管后排水量显著降低,试验发现流量降低最高可达18.0%;在降雨后期,下游河道水位基本稳定,顶托作用基本不变,上游来流量减小,管道排水量随着上游来流量的减小而减小。此外,研究发现通过能量守恒和曼宁公式计算的管道排水量理论结果、基于工程规范的管道排水量设计结果和SWMM模拟结果均显著高于管道流量试验值,其中管道排水量理论结果和SWMM模拟结果比试验值分别高出44.2%和50.0%以上。这表明目前的工程设计和模拟方法均高估了雨水管道末端的排水量,进而低估了城市内涝风险。结合试验和数值模拟,本文阐述了顶托作用下雨水管道与河道的水动力相互作用机制,加深了对该复杂过程的机理认识,指出了目前雨水管道末端流量工程设计与模拟方法的缺陷,研究结论不仅具有一定的科学价值,还对城市雨水管道优化设计和内涝防控具有工程指导意义。

关键词：城市内涝雨水管道雨水管道-河道顶托作用 OpenFOAM

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