城市深层排水系统中泡状流的型态特征及形成演变机制

Due to global climate change and rapid urbanization, urban flood disasters occurred very frequently. Deep-tunnel drainage system, as an effective measure to alleviate damages by city floods, has been more and more applied in practice. Air-water bubbly flow is a common phenomenon appeared in deep-tunnel drainage systems. Its formation might not only influence the discharge capacity, but also cause instability of hydraulic dynamics. Conducting studies on flow pattern characteristics and evolution mechanics of air-water bubbly flows will provide technical supports for safe operation of deep-tunnel drainage systems. In addition, it is helpful to enlarge the technology preparations for global climate change and to enrich the connotation of sponge cities' construction. In this program, theoretical analysis, physical model tests and numerical simulation will all be used, and the main contents are listed as follows. The flow pattern characteristics of air-water bubbly flows will be systematically analyzed. The flow structure and the hydro-dynamics of the flow in the deep tunnel will be simulated and derived, based on which the formation and revolution mechanisms for bubbly flow will be analyzed. Then the influences of the structure, inflow and operation mode on bubbly flows will be studied and accordingly the improving measures to mitigate/avoid adverse effects of bubbly flow will be proposed. The achievements will promote the comprehensive understanding of the hydraulic characteristics of air-water bubbly flows in urban deep-tunnel drainage systems.

受全球气候变化及城市化快速推进影响，城市洪涝灾害频发，城市深层排水系统作为缓解城市内涝的有效手段也得到了越来越多的应用。泡状流是城市深层排水系统中常见的水力现象，泡状流的形成不但会影响过流能力，还会引起主隧洞内水动力条件的不稳定。开展城市深层排水系统中泡状流型态特征及形成演变机制的研究，不仅可为城市深层排水系统的安全运行提供技术支持，而且有助于扩展应对全球气候变化的技术储备，丰富海绵城市建设的内涵。本项目拟在理论分析、模型试验、数值计算等多种研究手段的基础上，分析城市深层排水系统中典型泡状流的型态特征及相分布模式；剖析泡状流形成演变的水动力基础，探明泡状流的形成机理及驱动机制；分析城市深层排水系统中典型结构、入流条件及运行方式对泡状流特征的影响规律，提出可减轻/避免泡状流不利影响的改进措施，进而促进对城市深层排水系统水力特性的全面认识。

城市深层排水系统是缓解城市内涝的有效手段之一，近些年来在我们国家得到了越来越广泛的应用。泡状流是城市深层排水系统中常见的水力现象，其不但会影响过流能力，而且演变过程还可能引起主隧洞水流条件的不稳定及结构的振动等问题，不利于深隧系统的安全长久运行。为此，项目在理论分析、物理模型试验、数值仿真等研究手段的基础上，对城市深层系统泡状流进行了全面的研究。首先，系统分析了折板消能竖井的水力特性，明晰了折板间存在往复跌流和S型贴壁流两种典型流态，并推算出了两种流态发生转捩时的弗氏数为2.60，基于此改进了折板消能竖井中折板间距的取值准则，探讨了不同典型位置折板的功能定位并提出了确定方法。在此基础上，借助对虚拟城市深隧系统的研究分析，确定了入流竖井是泡状流中气泡的主要来源地，并全面分析了深隧泡状流的型态特征及影响规律，结果显示：入流竖井结构特征是影响泡状流形成及强度的重要因素，不当的设计可能形成颗粒状气泡形成的泡状流，这些气泡沿纵轴旋转并向下游移动，部分会聚集到顶部形成气带，针对此问题提出了中隔板及最底层折板应使水流挑向深隧进口远端的基本原则并按照折板消能竖井折板间距取值准则进行竖井设计的建议；竖井运行水深是深隧泡状流形成的又一个重要影响因素，适当地提高竖井运行水深可以有效地减轻或避免深隧泡状流的形成；深隧与竖井相对位置关系也是影响泡状流的因素，当深隧在竖井底部大角度转弯时会在竖井底部水深中形成旋流，易导致气体通过吸气漩涡进入深隧中形成泡状流，建议避免竖井与深隧弯道的合并布置或采用除气连接段的型式连接两者；深隧坡度加陡易引起泡状流向气囊的归并，不利于结构安全，建议在主隧洞进行管道底坡变化时进行充分的论证。此外，还分析了深隧运行对泡状流的影响，结果显示明满流过渡时是泡状流影响较大的区间，建议适当控制此阶段竖井的入流量，并在竖井顶部安装排气阀及时排出管顶气带的气体。