不同进口高度排水管道用涡流装置截流特性模拟与试验

马光飞，方 勇，吴燕明，程文韬，李 桃，李 超



不同进口高度排水管道用涡流装置截流特性模拟与试验

马光飞，方 勇※，吴燕明，程文韬，李 桃，李 超

（1.水利部杭州机械设计研究所（水利部产品质量标准研究所），杭州 310024；2. 水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室，杭州 310024）

为研究不同进口高度的涡流截流装置的截流特性，选用瞬态不可压缩流动的N-S方程和重整化群 RNG-湍流模型，采用欧拉模型中的VOF（volume of fluid）法对涡流截流装置进行了数值模拟，分析了进口高度对涡流截流装置截流特性、截流效率的影响，并且研究了涡流装置内部流场分布特性，同时对涡流截流装置的截流特性进行了试验验证。结果表明，进口高度越小，截流能力越强；涡流截流装置的截流效率，随着高度增大先减小后增大，转折点在3/5~4/5之间；当进口宽度固定时，为了保证不发生溢流或者堵塞，且能够实现较好截流，涡流截流装置的进口高度应选择4/5~5/5之间，此时，涡流装置的进口截面面积大于出口截面面积。涡流截流装置的截流主要是因为在装置内部形成了局部低压，静压力转换为流体运动的动压力，使流体产生高速旋流，发生了旋流截流。该研究可为城市污水截流装置提供新的可选设计方法，降低污水溢流或者内涝发生率。

涡流；水利设备；进口高度；瞬态数值模拟；截流特性；内部流动特性；试验验证

0 引 言

随着社会的进步，工业企业排放的污染性气体、汽车尾气等会形成大气干沉降，累积在地表上，沉积在管道中，随着降雨，这些污染物会随着雨水的冲刷进入水体对水质产生污染[1-3]，使得城市雨水管道污染问题变得更加严重。因此，如何控制城市强降雨雨水污染问题及加大雨水利用率已成为国内外学者广泛关注的研究热点[4-7]。国内外普遍采用的处理方式是：规划、设计和实施截流装置及其系统，如截流堰、限流封板、止回阀、控制闸等传统截流装置，但是上述截流装置都存在着不同程度的缺陷[8-10]：如截流量调节不精确，截流需要改变原有截流井结构，截流管中污水量及充满度的动态变化需要实时观察、截污流量小，且水力学设计使其实际截流实施困难等问题突出。

目前，研究水利装置及其他流体流动现象的方法主要有试验研究、理论分析和各种数值模拟软件计算分析。焦爱萍等[11]用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的方法，利用Fluent计算软件，研究了不同流量比射流对水垫塘的流动特征、动水垫效应和水垫塘底板时均冲击动压分布以及消能效果的影响。崔宝玲等[12]分析起旋器入射角度对旋进旋涡流量计性能的影响；赵伟国等[13]基于遗传算法、人工神经网络和三维CFD流场数值模拟相结合的方法得到了最优叶轮模型。程正飞等[14]采用耦合VOF法的三维非稳态水气两相流渗流模型，实现了对碾压混凝土坝复杂自由渗流场的数值模拟。季磊磊等[15]基于ANSYS CFX软件分析了流量工况对混流泵内压力分布流线分布、湍动能的影响，探讨了不同流量工况下不同监测点的压力脉动时域和频域响应。吴波等[16]基于CFD数值仿真结合单因素试验和正交试验，研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。张勤昭[17]以试验结果为基础验证湍流模型，选择SST模型作为湍流模型，建立获得三偏心蝶阀详细流场的数值模型，分析开度对三偏心蝶阀全流阻系数的影响。张义龙等[18]利用CFD数值模拟技术进行数值模拟，分析不同布水形式与流速的关系以及对传质效果的影响。朱荣生[19]等应用ANSYS-CFX 软件，对离心泵内部发生空化时进行定常和非定常计算，采用泵内部不同流道的速度场、压力场、气体体积分数以及压力脉动情况的计算结果分析流道内部瞬态非线性的流动变化规律。针对类似的数值模拟和试验研究方法还有很多，如文献[20-24]，均采用数值模拟的方法分析了研究对象的内部流动特性。综上所述，采用数值模拟的方法分析水力学问题是可行的。

本文采用FLUENT计算软件，选用瞬态数值模拟N-S方程和RNG-紊流模型和VOF（volume of fluid）法，对涡流截流装置的内部流场进行数值模拟，同时进行了试验验证。详细研究了不同进口高度涡流截流装置的截流特性、内部流场的静压力场、速度场分布，揭示其截流机理，为城市污水截流装置提供新的可选设计，降低污水溢流或者内涝的发生。

1 模型建立及计算方法

1.1 物理模型

涡流截流装置主要应用于排水系统，其工作原理为当流体流过涡流截流装置时，在涡流截流装置中心产生偏心的螺旋气柱（进而产生局部低压，甚至负压），改变出水口过流断面，从而限制出水流量，产生了截流效应。

本研究的涡流截流装置，主要包括前后盖板，蜗壳型腔体，进出口，其模型示意图如图1a、1b所示。为了充分研究涡流截流装置的截流特性和内部流动特性，将其整体布施在上游检查井内，在进口宽度固定的前提下对多组进口高度下的模型进行研究。模型基本参数为进口高度=230 mm，蜗壳结构直径=460 mm，宽度=150 mm。研究对象模型参数见表1。

注：L为涡流装置的宽度，mm；h为涡流装置进口高度，mm；D为基圆直径，mm。

1.2 数学模型和计算方法

研究对象物理模型的数值模拟方法，主要采用流体动力学计算软件FLUENT软件[25-28]进行计算，由于涡流截流装置主要应用于集水井中，其内部流动并不是简单的单相流动，而是多相组分流动。为了对其的截流特性和内部流动特性进行精确预测，减少试验成本，在本文的数值计算中将其视为气液两相流动。也正是由于气相的存在，随着集水井中水位的高低变化，在涡流截流装置出口中心位置形成不同直径大小的截流气柱，才使得研究对象拥有良好的截流特性而不需要再提供外部动力能源，即可达到排水管网系统中的流量调度，减缓下游集水井中的溢流发生率。

基于流体质量守恒方程、动量守恒方程、流体体积函数模型（VOF model）的多相流动方程及组分湍流方程（RNG-）进行三维湍流计算。

1）质量守恒方程

质量守恒方程又称连续性方程，可表述为单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量

连续性方程的适用范围没有限制，无论是可压缩的或者不可压缩的流体，黏性或者无粘性流体，瞬态或者稳态流动均适用。

2）动量守恒方程

动量守恒方程是任何流动系统都必须满足的基本定律。动量守恒定律实际上是牛顿第二定律，可表述为：任何控制微元中流体动量对时间的变化率等于外界作用在微元上各种力之和，用数学式表示为

3）流体体积函数方程（VOF model）

在VOF模型中，认为水和气共有相同的速度和压力场，因而对水气两相流可以像单相流那样采用一组方程来描述流场。该方法采用1个流体体积分数来描述自由表面的各种变化，在控制体内对第相流体的容积分数规定为：α=0表示控制体内无相流体，α=1表示控制体内完全充满相流体，0<α<1表示控制体内部相流体的体积分数，对所有流体的容积分数总和为1，即∑α=1。

采用VOF方法追踪流体自由表面对第相流体的控制微分方程为

流体自由界面的跟踪通过求解该方程来完成，其具体位置采用几何重建格式来确定。它采用分段线性近似的方法来表示自由水面线。在每个单元中，水气交界面是具有不变斜率的斜线段，并用此线性分界面形状来计算通过单元面上的流体通量。根据每个单元的容积分数值及其偏微分，线性的水气交界面相对于每个部分充满的单元中心的位置就可以计算出来，从而确定其具体位置。

4）组分湍流方程（RNG-）

RNG-模型来源于严格的统计技术。它和标准-模型很相似，但进行了改进，对于具有旋流产生的结构预测精度更加准确，其方程式如下

湍动能方程

湍动能耗散率方程

在上述方程（1）－（5）中，为流体密度，kg/m3；为时间，s；=1，2，3，即x=、、，u=、、，、、分别为笛卡尔坐标系中的三坐标的速度分量，即、、方向上速度矢量的分量；为求和下标；方程中通用模型常数，C=1.44，C2=1.92，σ=1.0，σ=1.3。

G为平均速度引起的湍动能产生项

方程中通用模型常数C=0.09。

2 网格划分与边界条件

由于研究对象具有多种结构，即不同进口高度值，且其主要应用于截流井（或集水井）中进行截流，且不同进口高度值，流道结构网格划分原理相同。因此，这里只给出全值安装于截流井中的单开口流道网格划分结构。由于其中存在蜗壳型结构，选择非结构化网格进行划分，同时给出上下游延长管道（分别为进出口的5倍直径和出口10倍直径）的网格，这样在计算中湍流流动可得到充分发展，见图2。

注：D1为流体进口直径，D1=300 mm；D2为流体出进口直径，D2=200 mm。

边界条件：流体进口采用速度进口，0.7 m/s（该流速为管道设计最小流速[29]），进口全部为介质水，密度为998.2 kg/m3，粘度为1.005×10-3Pa·s；流体出口采用压力出口，直接通大气；空气密度为1.205 kg/m3，粘度为1.81×10-5Pa·s；单开口入口处采用交界面interface进行定义，数值计算时间步长0.01 s，计算收敛残差为10-6，速度压力耦合采用PISO算法。

3 结果与分析

本文研究了涡流截流装置的截流特性，使其有自适应截流效果，通过截流装置使集水井的出口流量随着集水井中的水位发生变化，有效控制集水井的出口流量。在遇到强降雨时，使上游高地势的水流流动减慢，降低下游集水井中的汇流量，使其在还未溢流前，拥有更多的离开时间，有效地为城市污水截流装置提供新的可选设计。

3.1 涡流截流装置的截流特性

图3为不同进口高度时，涡流截流装置的截流特性曲线。涡流装置的截面为×的矩形截面，由于宽度=150 mm和初始进流流速=0.7 m/s，均为一定值，因此文中以涡流装置进口高度为模型变化参数。其中横坐标为集水井出口的质量流量，kg/s；纵坐标为集水井中的水位，m。从图中可以看出，1）在所有进口高度下，涡流截流装置出口流量与水位变化关系均产生了S型转折，起到了截流作用。2）进口高度越小，发生截流时的出口流量越小，最终的截流效果越明显，即11>12>13>14>15。3）在进口高度1/5、2/5、3/5、4/5时，S型特性曲线的幅度相对较小，而在5/5时，S型特性曲线的幅度相对较大，这主要是因为在进口高度较小时，涡流截流装置进口截面的面积小于出口截面面积，进口起到了孔板截流的效果，孔板截流与涡流截流装置截流量的叠加，使得在1/5、2/5、3/5、4/5时截流效果特别明显；因此，此时集水井中的水位也较高。4）进口高度不同，出现S转折时的集水井水位并不相同，这说明涡流截流装置的截流特性不仅与集水井中的水位有关，还可能与涡流截流装置内部的水位高低有关。

注：Q11-15为涡流装置的S拐点结束后的出口质量流量；H11-15为该出口流量对应下的集水井中的水位。Q21-25为涡流装置的S拐点前的出口质量流量；H21-25为该出口流量对应下的集水井中的水位。

3.2 涡流截流装置的截流效率

在流体中没有形成螺旋气柱时，涡流截流装置没有出现截流特性，当流体出现了S型的出口流量曲线时，才会有截流特性。因此，本文的截流效率以出现S型的出口流量曲线为基准，是在出现S拐点前的流量与出现S拐点前的流量减去S拐点结束后的流量之比，截流效率公式为

在方程（7）中，为截流效率，%，m为出现S拐点前的出口质量流量，kg/s。n为S拐点结束后的出口质量流量，kg/s。

图4为不同进口高度时，涡流截流装置的截流效率曲线。

图4 涡流截流装置的截流效率

从图4中可以看出，1）进口高度为1/5时，截流效率最大，可以产生30%以上的截流量，但是该进口高度下，涡流截流装置进口截面积过小，一旦有较大杂质进入雨水管道，发生堵塞的可能性最大。同时，由于截流量过大，使得集水井中的水位上升很快，在较小出口流量下就会使集水井发生溢流，如果在集水井上没有安装引流管或者溢流堰之类的装置，将会使上游地区很快发生溢流或者内涝等现象，无法达到改善城市雨水截流、降低内涝发生的目的。2）随着进口高度的增加，截流效率先减小后增大，转折点在3/5～4/5之间，但是，从截流不发生堵塞的前提出发，4/5～5/5之间应为最优设计，该区间也是涡流截流装置进口截面面积大于出口截面面积。3）结合图3，我们可以看出，为了保证在集水井中流量较小时不发生截流，降低集水井本身的溢流问题以及大的杂质造成堵塞的问题，又能提高截流效率，进口高度5/5，为最优的进口高度选择。

3.3 涡流截流装置的内部流动特性

通过上述分析，我们知道截流特性曲线均为S型，因此，其内部流动形态差别不是很大，且进口高度5/5，为最优进口高度，本文仅对进口高度5/5时，数值模拟形成S型截流曲线后，涡流截流装置内部=0，=300，数值计算时间=55 s，此时的中心截面进行分析，用来解释涡流截流装置截流特性的内部机理。

3.3.1 涡流截流装置=0截面上的流动特性

图5a、b、c分别为=0时，涡流截流装置内部流场的压力等值线云图、速度等值线云图、速度流线云图。

1）从图5a中可以看出，在集水井中的静压力分布均匀，从下到上逐步减小。但是经过涡流截流装置的作用，压力分布不再均匀，在涡流截流装置内部形成了低压区，甚至出现负压，且低压区向管道下游延伸。

2）从图5b中可以看出，在湍流充分发展后，经过涡流截流装置的作用，流体的速度增加，这说明涡流截流装置使得流体的静压力转换成了动压力。增加流体速度，有利于管道中的悬浮颗粒物质加速排除。

3）从图5c中可以看出，在整个流场中，存在大小不同的涡流，主要存在于集水井的底部，气液两相交界面，涡流截流装置内部上侧，涡流截流装置外部上侧的集水井中，这说明，涡流截流装置的存在，使得流体获得动压力，从而造成了障碍物阻流。

图5 z=0时，涡流截流装置内部流场分布

3.3.2 涡流截流装置=300截面上的流动特性

图6a、b、c分别为=300时，涡流截流装置内部流场的压力等值线云图、速度等值线云图、速度流线云图。1）从图6a中可以看出，在涡流截流装置内部，静压力分布从涡流装置外部向涡流装置中心递减。2）从图6b中可以看出，在涡流截流装置内部，速度分布从涡流装置外部向涡流装置中心递增。3）从图6c中可以看出，在涡流截流装置内部，形成了高速旋流。上述现象说明，涡流截流装置之所以具有S型截流特性，是因为在涡流截流装置内部产生了低压甚至负压，静压力降低使得动压力增加，流体流速增加，在涡流截流装置该截面上产生的围绕低压带的高速旋流，使得流体在装置内部旋转流出，从而产生了旋流截流。

图6 x=300时，涡流截流装置内部流场分布

3.4 试验验证

为了验证数值模拟的准确性，本文进行了实验室试验。通过对本文的数值模拟结果进行分析，我们发现尽管进口截面积小，涡流装置的截流量大，但是从客观实际出发，这样很容易发生堵塞。

因此，本文数值模拟的最优结构为进口截面面积大于出口截面面积的涡流截流装置，即进口高度4/5~5/5之间，因此仅对进口高度5/5的涡流截流装置进行试验验证。本试验在水利部杭州机械设计研究所（水利部产品质量标准研究所）水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室进行。试验流程图如图7所示。

图7 涡流截流装置试验流程图

图8为涡流截流装置，进口高度为5/5时，数值模拟和试验对比图。从图中可以看出，数值模拟具有较高的可信度，可以用来分析涡流截流装置的截流特性和内部流场。

图9为实验室试验图片，其中a、b分别给出了试验装置的实物模型和试验装置的实物模型及涡流装置试验效果图。从图中可以看出，涡流截流装置内部形成了螺旋气柱，且气柱的延伸段很长，说明本文数值模拟准确。

图8 数值模拟验证

图9 实验室试验图片

4 结 论

本文采用FLUENT流体动力学数值计算软件，模拟了不同进口高度的涡流截流装置内的复杂流动和截流特性之间的关系，同时，进行了截流特性试验验证，给出了不同进口高度对涡流截流装置的截流特性、截流效率的影响规律，并重点分析了最优截流就够设计的内部流动特性，揭示涡流截流装置的截流机制。通过分析可以得到以下结论：

1）涡流截流装置之所以具有S型截流特性，是因为在涡流截流装置内部产生了低压甚至负压，静压力降低使得动压力增加，流体流速增加，在涡流截流装置内部截面上产生了围绕低压带的高速旋流，使得流体在装置内部旋转流出，从而产生了旋流截流。

2）在所有进口高度下，涡流截流装置均产生了S型转折，起到了截流作用。进口高度越小，发生截流时的出口流量越小，最终的截流效果越明显。进口高度不同，出现S转折时的集水井水位并不相同，涡流截流装置的截流特性不仅与集水井中的水位有关，还与涡流截流装置内部的水位高低有关。随着进口高度的增加，截流效率先减小后增大，转折点在3/5～4/5之间，但是为了保证在低水位时候不进行截流，且进口截面积越小，越容易发生堵塞，因此，当涡流装置进口宽度给定时，涡流截流装置进口截面面积大于出口截面面积为最优结构设计，即进口高度应为4/5～5/5之间。

3）通过试验验证表明，本文研究的数值模拟具有较高的可信度，可以为城市污水截流装置提供新的可选设计。同时，通过观察试验现象，确实是因为在涡流装置内部产生螺旋型旋流气柱，改变了出水口过流断面，从而限制出水流量，使管道出口质量流量减小，产生了截流效应。

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Closure characteristics simulation and experiment of eddy current device with different imported height in drainage pipeline

Ma Guangfei, Fang Yong※, Wu Yanming,Cheng Wentao,Li Tao, Li Chao

(1.310024; 2.310024)

In order to provide a new alternative design scheme for the interception treatment of urban sewerage, and reduce the effluent overflow in the catchment or the incidence of water logging in the pipe network, the closure characteristics of the eddy current closure device, the static pressure field distribution, the velocity field distribution and the velocity streamline distribution of the internal flow field at different inlet height are investigated. In this article, the transient N-S equations of incompressible flow, the renormalization group RNG k-ε turbulence model and the VOF (volume of fluid) method of Euler model are selected to carry out three-dimensional numerical simulation on the eddy closure device. Under the change of inlet height, the influences of the eddy current on the closure properties and closure efficiency of closure device are analyzed, as well as the internal flow characteristics of device. At the same time, the closure characteristics of the eddy current interception device have been experimentally verified. The experimental results are in good agreement with that of the numerical simulation. Based on the analysis of the riveting characteristics and the internal flow field characteristics of the eddy current device, the results show that under all the inlet height, the eddy current closure device produces the S-type turning and plays the role of closure. The smaller the inlet height, the stronger the intercepting capacity of the eddy current closure device; but the possibility of overflow and blockage is also bigger. At the different the inlet height, when the S-type turning occurs, the water level in the catchment is not the same, indicating that the cutoff characteristics of the eddy current closure device not only are related to the water level in the water collecting well, but also may be related to the water level inside the eddy current closure device. When the inlet height is small, the area of the inlet cross section of the eddy current closure device is smaller than that of the outlet cross section, and the inlet function is the effect of the orifice interception. The cutoff is the superposition of the interception of the orifice and the cutoff of the device. With the increase of the inlet height, the cutoff efficiency of the eddy current closure device decreases at first and then increases, and the increase range is between 4/5 and 5/5 of the inlet height, indicating that to ensure no overflow or clogging and achieve good closure, the inlet area of eddy current closure device should be greater than the export cross-sectional area. In the whole flow field, there are different vortices of different sizes, which are mainly present in the bottom of the trap, the gas-liquid interface, and the upper part of the internal and external eddy current closure device, and the existence of the eddy current closure device makes the fluid obtain dynamic pressure, resulting in obstacles obstruction. In the eddy current closure device, the high-speed swirl forms. The eddy closure device has S-type shutoff characteristics because of the low pressure or even negative pressure inside the eddy current closure device. With the decrease of the static pressure, the dynamic pressure increases, and the fluid flow rate increases; on the transverse cross section of the eddy current closure device, a high-speed swirl is produced around the low pressure zone, so the fluid flows out rotationally from the swirl device, resulting in the closure of cyclone flow. Through the experimental verification, it can be explained that the high speed vortex generated by fluid is a spiral gas column, and has a performance of long extension, which is beneficial to realize cyclone cleaning.

eddy currents; water conservancy equipment; inlet height; transient numerical simulation; closure characteristics; internal flow characteristics; experimental verification

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.006

TD744; TU992

A

1002-6819(2017)-22-0046-07

2017-06-15

2017-10-16

浙江省公益技术应用研究项目（2017C33010）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201501026）

马光飞，工程师。主要从事水利机械优化设计及流体机械方面的研究。Email：maguangfei@126.com

方 勇，高级工程师。主要从事水利机械方面的研究。Email：fangyongshuilibu@126.com