淤积排水管道过流阻滞特性研究

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淤积作为排水管道中常见的功能性缺陷,易导致管道中排水不畅,从而降低管道过流能力,不利于管道功能的正常实现。糙率系数为排水管道流阻计算中的重要参数,受到管渠的断面形式和水力条件等多种因素的影响,而淤积管道的底部过流条件和断面形状的改变在一定程度上影响其过流能力。为探究淤积排水管道的水力特性及淤积物对过流能力的干扰机制,本文采取物理试验和数值计算相结合的方式,对不同流量、不同淤积度下的管道进行了研究。主要内容和结论如下:(1)基于管道内淤积物粒径分布规律及排水管道功能性缺陷分类标准,搭建淤积管道试验平台,展开了不同淤积度下管道的过流试验,并在相同尺寸的管道中进行了不同淤积度的数值模拟。对比试验量测和数值模拟输出的水位与流速数据,相应工况下的平均相对误差均在5%以内,验证了数值模拟的准确性,即数值计算方法可用于排水管道在淤积情况下的过流研究。(2)定义排水管道淤积度为管道底部淤积物高度与管道直径之比。通过对不同淤积度条件下排水管道进行数值计算,得到不同流量工况下的水位结果。利用布金汉(E.Buckingham)定理做出量纲分析,并进一步分析了糙率系数随流量、雷诺数与相对粗糙度的变化关系。此外,研究得到了淤积管道在紊流粗糙区时的糙率系数方程并对其进行统计分析,取文献数据与0.3淤积度下的试验结果对方程进行了检验,计算结果表明所建立的方程在测量不同淤积度管道的糙率系数方面较为可靠。(3)分析管道淤积部分的水面线、流速特性以及壁面平均切应力的变化规律,结果显示淤积段的测点水位较为平稳且变化幅度较小,属于均匀流,相同流量下水深随淤积度的增大而减小;管道壁面处流速梯度较大,断面流速分布受到壁面曲率和底面糙率的双重影响;淤积物的存在会加剧管内的二次流现象,且0.2淤积度时淤积表层流速梯度相对于0.4淤积度的更大;壁面平均切应力关于管道中心轴对称分布,随着充满度和淤积度的增加而增大。(4)以流量变化表征淤积对管道过流能力的影响,对于不同的设计充满度,过流能力阻滞率与淤积度(3可表示为指数函数关系且相关关系良好。管道过流能力阻滞率在同一充满度下随着淤积度的增加显著增大,在相同淤积度下,随着充满度的升高,管道过流能力阻滞率逐渐降低。由于最大设计充满度随着管径的增大而增大,因此在相同淤积度下,大直径管道过流能力阻滞率更小,管径越小则过流能力阻滞率越大。研究结果较为全面地反映了淤积管道的流阻计算过程与过流特性,为定量分析淤积条件下的管道糙率变化及设计过流指标提供了科学依据,在工程中具有重要的实用价值。
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