城市雨洪蓄排水系统中的气液混流与冲击的拉格朗日建模及实验研究

Mixed flow in stormwater systems affects the flood discharge capacity and system stability. Its formation and propagation mechanism has not been fully understood, and the numerical models suffer from various insufficiencies. Based on basic principles of fluid dynamics, the mathematical models (governing equations and boundary conditions) are deduced within a Lagrangian framework for free-surface flow, pressurized pipe flow and mixed flow. With proposed numerical inlet and outlet conditions, the meshless smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is employed to solve the governing equations. The numerical characteristics such as stability, convergence and dispersion of the SPH method applied to hyperbolic equations are analyzed for the benefit of numerical simulations. To study flow regime transition, mixed flow and flow surges with entrapped air in stormwater systems, numerical experiments and laboratory tests in pipelines with different diameters are performed. The instability and propagation of the gas-water-interface is analyzed with focus on its physical origin and mechanisms. The effects of the geometric and thermal properties of the entrapped air and the size of the orifice at the pipe end on the amplitude and frequency of the transient pressure are investigated. In addition, to study the effect of manholes on the transition between different flow regimes (free-surface flow, pressurized pipe flow, mixed flow, two-phase flow), the flow in a manhole (2D) - pipe (1D) - manhole (2D) system is simulated with a coupling technique for models of different dimension. The achievements can guide the design and renewal of urban sewers, the prevention of stormwater flooding, and the rainwater accumulation and utilization.

暴雨中蓄排水干管内的气液混流会影响系统的行洪能力和稳定性，其形成机制尚不清楚，数学模型和求解方法还不完善。基于流体力学基本原理，本研究将建立拉格朗日体系下不同状态流体的数学模型，开发基于无网格粒子法的数值离散格式和边界处理方法，分析无网格粒子法在求解波传播问题上的数值特性，并在此基础上开展数值实验和大尺度物理实验，以探索城市雨洪蓄排水系统中的气液混流和含截留气团的流体冲击问题，揭示气液界面失稳和传播的物理原因和力学机制，阐明截留气团的几何特征、热力学特性和井盖气孔尺寸对冲击力幅值和频率的影响规律。此外，为了解决现有雨洪模拟系统中人孔作为单节点的局限性，本研究还利用不同维度模型耦合技术，开发包含一维管流与二维局部流体的仿真系统，探索人孔内流体对管内流态转变和气液混流形式的影响。研究成果可为排水管道的设计改造、城市雨洪的防灾减灾决策以及雨水的蓄集利用提供理论依据，具有重要的理论和实用价值。

暴雨中蓄排水干管内的气体不仅会影响系统内的流态转变过程，还可能造成气液混流，形成截留气团甚至气爆现象，从而影响系统的行洪能力和稳定性，增加发生城市内涝的风险。针对该类问题，国内外研究者已开展一些调查研究、物理实验和数值建模，但其物理形成机制和对系统排水能力的影响规律依然不完全清楚，相应的数学模型和数值求解方法还不完善，因而无法满足城市排水系统设计的实际需要。. 针对城市雨洪排水系统中的气液混流和含截留气团管流冲击相关难题，项目组开展了数学模型、数值求解方法和物理原型实验三个方面的研究，建立了拉格朗日体系下不同状态流体的数学模型，开发了基于无网格粒子法的数值离散格式和出入流边界处理方法，分析了该方法在求解波传播问题上的数值特性。完成的原型实验不仅验证了数值模型的准确性，还有效指导了气液界面条件的建模。通过物理实验和数值模拟研究了城市雨洪蓄排水系统中的气液混流和含截留气团的流体冲击问题，揭示了气液界面的失稳原因和传播机制，阐明了截留气团的几何特征、热力学特性和井盖气孔尺寸对冲击力幅值和频率的影响规律。此外，为了解决现有雨洪模拟系统中人孔作为单节点的局限性，项目组还利用不同维度模型耦合技术，开发了包含一维管流与二维人孔内流体的仿真系统，分析了人孔内流体对管内流态转变和气液混流形式的影响机制。. 在有效解决以上难题的同时，项目组完善了气液界面的失稳理论、含截留气团管流冲击理论和拉格朗日体系下的流体动力学建模理论，改进了光滑粒子动力学（SPH）方法，开发了基于SPH的仿真系统，为排水管道的设计改造、雨洪防灾减灾决策以及雨水蓄集利用提供了思路与指导，具有良好的应用前景。. 项目组共计发表论文26篇，其中期刊论文10篇，会议论文16篇，SCI收录6篇，EI收录13篇，ISTP收录2篇。此外，项目组还申请了国家发明专利3项（授权1项），软件著作权4项（授权2项），在所在领域中取得了理论和方法上的突破。