模拟研究发现：道路雨水口截流量和截流率主要受篦前水深影响

原标题：

城市道路雨水口截流效率数值模拟研究

摘 要：

城市道路雨水口是地表径流与地下雨水管 之间的连接点,其截流效率决定了降雨期间地下管 系统的泄流量,对预防城市内涝的发生具有重要意义。利用计算流体动力学软件CFX17.0构建了一段长12 m、宽3 m、高0.5 m的城市道路径流段,并通过与原型试验结果进行对比验证研究了在不同的流量和坡度组合下雨水口对径流的截流情况和水力性能,重点分析了水面宽度、断面平均流速、沿程水深、截流流量与截流率的变化情况。数值模拟结果表明,篦前水深是影响雨水口截流量和截流率的主要因素,流量越大(流量范围Q=30～70 m3/h),篦前水深越大,雨水口截流量越大;而截流效率随着流量的增加而减小,随着横坡的增大而增加(横坡变化范围为SC=1.5%～2%),随纵坡增大而减小(纵坡变化范围SL=1%～2%)。所有研究工况下,最大截流率为85%;数值模拟结果与试验数据具有较好的一致性,各工况模拟截流效率与实测截流效率误差均在10%以内,研究结果对雨水口优化设计具有重要的参考价值。

关键词：

城市道路; 雨水口; 截流率; 有限元; 数值模拟;

郭帅(1984—),男,副研究员,博士,主要从事城市水力学、供排水管 优化设计与数值模拟等研究。E-mail:guoshuai@hfut.edu.cn;

基金：

安徽省自然科学基金(1908085QE211);

引用：

郭帅，曾云辉，陈国芬，等． 城市道路雨水口截流效率数值模拟研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 10) : 28-34.

GUO Shuai，ZENG Yunhui，CHEN Guofen，et al. Numerical simulation on the street grate inlets hydraulic efficiency［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 10) : 28-34.

0 引 言

近年来城市极端天气频发,暴雨事件引起的城市内涝问题愈发严重,城市排水系统受到巨大的挑战。为有效应对内涝灾害,国际学界提倡城市排水系统的设计应采用双排水系统的理念,即地表排水系统作为主系统(major system),而地下排水管 作为次系统(minor system)。雨水口作为地下雨水管 系统的入口,是地表径流与地下排水系统的连接口,其对雨水的截流直接影响地下排水系统所接纳的雨水量。因此,针对不同影响因素下雨水口的截流效率问题,国内外学者开展了大量的研究。SCHMITT等结合双排水模型分析过高的地下排水管道水位所引起的城市内涝问题,分析了城市地表水和地下排水管道之间的相互作用,但对于道路雨水如何有效进入地下排水系统并未说明。RUSSO等在不同形状的雨水口和不同的道路坡度及流量下进行模型试验,分析不同因素对横截沟截流率的影响,总结出雨水口截流效率与雨水口篦前水深关系的经验公式。SLOBODAN等通过试验和3D数值模型研究地表径流在模拟道路上以及被雨水口截流后进入排水管道的整个流动过程,分析了雨水口截流状态以及截流率的变化情况。KEMPE等采用试验数据校核数值模型,通过数值模拟结果和试验结果对比,说明数值模拟可靠性及利用数值模拟分析雨水口不同部分的截流量,讨论路面径流被雨水口截流的具体情况。LOPES等以原型试验装置建立横截沟的数值模型,分析不同的 格划分对模拟结果的影响,对比试验结果分析数值模拟结果的误差大小。GOMEZ等通过数值模拟对比雨水口前后的流量差异,分析雨水口截流机制,发现大流量下的模拟结果更好且相对误差更小。MATTEO等针对圆形雨水篦子开展试验研究和数值模拟,分析不同的圆形雨水口的开孔形式、道路坡度和流量对水流流态和雨水口截流率的影响。CARVALHO等采用数值模拟方法研究雨水口地下泄流出口大小及其与雨水口连接位置对雨水进入雨水口后流速场和自由表面的影响,分析了不同接口状态下的水流流动情况。

1 试验模型

试验采用搭建于合肥工业大学水工模型试验大厅的长12 m,宽3 m的单向单车道1∶1原型道路试验平台[见图1(a)]。试验雨水口采用国家标准型雨水篦子,雨水篦子距离上游入流口10 m处,研究其截流效率和道路横坡、纵坡以及入流流量之间的关系[见图1(b)]。试验装置通过底部的液压千斤顶调节道路横坡和纵坡,横坡SC调节范围为0%～10%,纵坡SL调节范围为0%～5%。水源通过水泵抽水至屋顶水箱,再由水箱供水到试验装置前端水箱,水箱前部导流板可以使水流均匀进入模拟道路形成路面径流,径流在流动过程中部分被雨水篦子截留,未被截流的部分从模拟道路末端泄流至排水箱中,通过排水管排入到水渠中,排水管上接有电磁流量计可以测量其出流流量。入流流量通过入流管上的电磁流量计以及电动阀门控制。试验各参数变化范围为:流量Q=30～70 m3/h,纵坡SL=1%～2%,横坡SC=1.5%～2%,测量其不同组合工况下的雨水口的截流效率。同时,在雨水口上游0.15 m位置处测量其篦前水深。

图1 试验装置及雨水篦子平面(单位:mm)

2 数值模型

2.1 计算域及 格划分

数值模拟软件采用ANSYS旗下的计算流体动力学(CFD)软件CFX17.0版本。由于道路下部分为水相,上部分为空气相,实际以研究水流特性为主,为减少 格数量,不同的道路区域采用不同的 格尺寸,以减少计算时间,其中靠近道路上游的 格尺寸为5 cm,雨水口区域的最小尺寸为0.1 cm,共划分680万个结构 格。具体模型 格参数如图2所示。

图1 试验装置及雨水篦子平面(单位:mm)

2.2 模型 格验证

为检查 格的准确性,在坡度为SL=1%, SC=1.5%下,采用三种不同尺寸参数的 格,并对两种大流量工况(Q=60和70 m3/h)进行计算,对比每个结果的出流流量(雨水口截流量+溢流出口流量)与边界设置入流流量的质量差来判断 格的可靠性,对比结果如表1所列。从表1中可以看出,当 格数量增加时,质量丢失误差逐渐减小,当 格最小尺寸达0.1 cm, 格数量达到680万时,质量丢失误差<1%,因此,后续对所有工况的模拟均采用第三种 格参数。

表1 不同 格参数下质量丢失误差

此外,还开展了不同湍流模型及不同时间步长下的验证分析,结果表明,采用k-ε湍流模型,时间步长为0.1 s时,收效效果最好。

2.3 边界及初始参数设置

模型上表面作为和空气接触的入口,类型设定为Opening,空气的体积分数为1,模型上游最前端断面作为水流入口,入口边界采用质量流量以对应试验工况,雨水口以及下游泄水口设置为自由出流,相对压力设置为0,初始条件设置为水充满整个流域。模型的边壁采用无滑移边壁,粗糙度采用默认设值。计算精度设置为High resolution,求解器离散格式采用First order upwind,残差设置为1E-04,模拟类型设置为瞬态分析,总时间设置为60 s,时间步长为0.1 s,湍流模型设置为k-ε湍流模型,其他设值均为系统默认设定参数。

3 模拟结果分析

3.1 流线分析

工况1(SL=1%,SC=1.5%,Q=30 m3/h)计算稳定之后的流线如图3所示。在道路坡度以及重力作用下,流线发生偏转,水流逐渐向雨水篦子侧收缩,雨水口上游及侧边水流流过雨水口时被雨水口截流。模拟结果显示,在距离上游入口断面7 m位置处,水流收缩至水面宽度最小后又略有扩张的趋势。对于其他几种模拟工况,流线具有类似形态规律,但是随着横坡的增大,水流更快的形成收缩。而随着纵坡的增大,导致水流流速更大,但纵坡对水面宽度的变化影响较小。

图3 工况1流线

流量Q=60 m3/h时,在三种不同的坡度下雨水口附近的水流流线如图4所示。当纵坡较小(SL=1%)时,在雨水口下游会形成再循环区,部分水流从侧边进入雨水篦子[见图4(a)]。水流直接向下游传递而不出现再循环区[见图4(b)和图4(c)]。在实际试验过程中也发现类似现象,研究所用的湍流模型对实际复杂流动具有很好的模拟能力。

图4 不同坡度下雨水口局部流线

3.2 断面平均流速分析

断面平均流速可以反映水流受到横坡和纵坡的影响后沿水流方向流态的变化情况。由连续性方程可知,断面平均流速和水深相互影响,从而影响雨水口的截流效率。相同坡度不同流量下的沿程断面平均流速如图5(a)所示,同一流量不同坡度下的断面沿程平均流速如图5(b)所示。相同坡度下,流量越大,其断面平均流速也越大。而相同流量下,纵坡以及横坡的增加都会导致流速的增加。

图 5 断面平均流速变化

3.3 水深对比分析

3.3.1 篦前水深对比分析

不同工况下的雨水口篦前水深的试验和模拟结果对比如图6所示。当流量较小时(30 m3/h),由于试验水深较小(14.11 mm),两者水深的绝对误差为2.41 mm,相对误差为17.1%。当流量为70 m3/h时,试验测量的篦前水深为23.66 mm,两者的绝对误差为2.15 mm,相对误差为9.1%,可见,大流量工况下,篦前水深模拟结果的相对误差较小,对误差包容性较好。多种工况下数值模拟和试验的篦前水深对比显示,水深绝对误差均在3 mm以内,相对误差均在20%以内,模拟结果和试验结果有较好的一致性。

图 6 模拟与试验篦前水深对比

3.3.2 篦前水深与雨水口截流量分析

偏沟式雨水口分为前缘和侧向两部分进水,其中前缘进水量占雨水口截流量的主要部分。对比试验与模拟结果发现,篦前水深对雨水口截流量影响很大,两者呈明显的正相关关系,但横坡与纵坡对截流量的影响存在显著差异,各工况截流量与水深关系的模拟结果如图7(a)所示。因横坡主要影响水流的收缩情况,因此,横坡越大,侧向进水量增大,雨水口的截流量增大;而纵坡主要影响水流的流速,流速越大往往造成越篦流量越大,前缘进水量越小。因此,研究工况下,截流量和横坡成正比,与纵坡成反比,如图7(b)所示。

图 7 雨水口截流量对比

3.4 截流效率对比分析

模拟的各个工况截流效率和试验结果对比如图8所示。模拟与试验结果表明:截流效率随着流量的增大而减小,随着横坡的增大而增大,纵坡对截流效率影响相对较小,如图8(a)所示;所有工况的截流率误差均在10%以内,如图8(b)所示。流量越大, 格精度等引起的误差越小,模拟结果与试验结果误差越小。

图 8 模拟和试验截流效率对比

4 结 论

(2)模拟结果表明,篦前水深是影响雨水口截流量和截流率的主要因素,但道路横坡也是影响水深的重要参数。流量越大,篦前水深越大,雨水口截流量越大;而截流效率随着流量的增加而减小,随着横坡的增大而增加,但受纵坡影响较小。所有研究工况下,最大截流率为85%,均未达到100%。

(3)数值模拟结果和试验结果显示出很好的一致性,所有工况的模拟截流率与实测截流率误差均在10%以内。因此,该模型未来可用于模拟分析无法直接开展试验研究的工况,数值模拟结果将对指导雨水口优化设计具有重要作用。

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