随着城市化进程的加快,对建筑的容量及造型提出新的要求,公共建筑领域尤其是其建筑屋面的设计及建设存在着向“大面积、大跨度”或者是“异型、柔性”等非常规方向发展的趋势,因此屋面虹吸雨水排水技术在近20年来得到了广泛的应用。但目前虹吸系统的设计存在两方面的问题:首先是排水安全性不足,现有虹吸排水更多强调排水管道部分的设计,忽略了虹吸排水系统中的高峰值流量对出水井的冲击问题,导致出水井内间歇泉事件频繁发生,不仅阻碍了屋面雨水的排放,而且造成重大安全问题;其次,随着“海绵城市”在我国的全面推进,要求更多雨水能够在原位下渗、滞留、蓄存及净化,对建筑雨水排放提出了更高的需求,使得屋面雨水由原有的接入室外管网的模式改为雨水立管断接后排入地表生态类海绵设施的模式。但对于虹吸雨水排水系统而言,若直接采用雨水立管断接,其大流量及高流速会对断接下游的海绵设施造成严重冲刷,破坏海绵设施的结构及生态。针对在海绵城市建设背景下,如何构建更安全的断接消能设施进而实现虹吸雨水的安全断接排放这一关键技术问题,构建了三维计算流体力学CFD模型,对虹吸排水消能设施的流场进行解析,提出适用于海绵城市的虹吸排水消能结构设计。主要研究内容如下:①构建了消能设施三维计算流体力学模型。进行了适用于消能设施结构特征的网格划分,构建了适用于断接消能设施设计的三维流体力学模型,界定了与实际运行工况一致的水气掺混两相流的流速、流量、压力、水气比等边界条件。②解析了排水安全及海绵城市建设对于虹吸雨水排放的限制性条件并进行了量化。由于雨水需排放至地表,应为半地下式或地上式;由于地表空间尺寸有限,容量应尽量减小;其出流流速控制条件考虑海绵设施入流条件,建议上限制为1.5 m/s;考虑间歇大流量或超设计工况的下的井内壅水问题,设置流量快速排放结构,以防止间歇泉事件发生。③开展了预实验,对未设消能设施下雨水自由出流对下游设施的冲刷效应及消能设施的主体结构模式进行了预判。结果表明:未设消能设施的虹吸雨水排放系统对下游的冲刷距离大于3 m,且其冲刷流速在3 m之后下降不明显,相对管内流速仅有小幅度下降,说明自由出流下冲刷效应显著;通过横、纵两种入流方式预实验,发现纵向入流模式在流速增大后其消能效果下降且出流流态较差,而横向入流模式在流速增大后消能效果上升且出流流态稳定。④对虹吸消能设施进行了初步设计,并通过CFD数值实验对其结构形式及参数进行了优化,最终建立了消能效果较为理想的结构设计,消能率达50%以上。基于预实验结果及限制性条件,完成了以井内水循环腔室为主要结构的多出口消能设施的初步设计。基于初步设计,强化改造外腔室进水构件,改善出口出流条件;与无内循环腔室设施相比,流速削减能力提高约50%。基于改造设计,对出口位置、出口大小、井体高度、通气口启/闭及尺寸等多参数进行了优化,确定了两种消能效果较好的结构设计。⑤对较优方案的工程适用性进行了验证。在常规设计流量下,基于仿真模拟数据对两种优化方案的出口流量及出流流速进行经验公式推导,并对经验公式的预测结果进行准确性校核。在极端超设计流量下,对20 m水头的入口压力进行10 s出流模拟,结果表明,本设施在该情况中能有效削减入流能量,其消能率达90%以上,且能实现极端条件的流量快速排放,避免井内间歇泉的产生。本文得出的三维流体力学模型构建方法、边界条件界定方法、断接消能设施设计结构参数及断接消能设施出水流速与流量计算方法等,可为建筑屋面虹吸雨水安全断接排放设施的设计提供技术支撑和方向指引。