一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法，基于k‑εRNG湍流模型，涉及计算流体动力学领域。该方法步骤如下：S1进行三维建模，网格划分；S2采用VOF方法进行水气两相瞬变流动计算；S3后处理软件对计算结果进行处理。极端暴雨背景下，城市雨洪排水系统中水气耦合作用下，常发生类似井喷的“间歇泉”现象。本发明专利技术考虑了水体气体压缩性，可以准确模拟水气运动过程的瞬态特性及压力变化，进而可以更深入地研究该过程中气。水耦合作用；基于k‑εRNG湍流模型，采用计算流体动力学理论，提出了一种模拟雨洪系统中间歇泉现象的三维模拟方法，以探索城市雨洪系统中间歇泉瞬态特性及压力变化。

【技术实现步骤摘要】
一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法
本专利技术涉及水力学数值模拟，具体涉及城市雨洪系统中间歇泉现象瞬态特性的三维模拟方法。
技术介绍
极端暴雨情况下，城市雨洪系统排水管道将处于满负荷工作状态，其过程中会混入的大量有压空气，形成滞留气团。滞留气团的存在可能会引起管道堵塞，降低排水系统的总体容积和排水效率。当滞留气团经过竖井的时候，剧烈的气水相互作用甚至会引发竖井处出现爆发性的“间歇泉”现象，冲翻井盖、污水出井口，其对应的异常水锤极有可能导致管道系统的破坏，对城市的道路安全及公共卫生产生较大的影响。此外，排水管道系统错综复杂的结构，也将使得城市排水管道中的水气两相流问题变得更为复杂。然而，至今为止，实际管道系统的设计标准只考虑管道载满水的情况，并不考虑“间歇泉”现象的存在及其危害；对于“间歇泉”现象的情况，管道设计中尚无相应的计算标准，且已有成果尚不完善。因此，为保证城市雨洪管道系统的安全运行，针对“间歇泉”现象所引起的瞬变流现象进行深入细致的研究，具有重大的现实意义。很对学者对上述复杂瞬变流进行了研究，建立了相关的实验系统。然而，由于“间歇泉”现象的复杂性，在物理实验中难以测量分析其瞬态压力特性。因此，对城市雨洪系统中“间歇泉”现象采用高维数值模拟，并尽可能还原实际物理实验情况，以更准确地模拟、研究“间歇泉”现象过程中水气瞬态特性及压力变化是十分必要的。
技术实现思路
专利技术目的：针对城市雨洪系统中间歇泉现象机理不明，本专利技术基于k-εRNG湍流模型，采用计算流体动力学理论，提出了一种模拟雨洪系统中“间歇泉”现象的三维模拟方法，以探索城市雨洪系统中“间歇泉”瞬态特性及压力变化。技术方案：一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法，利用k-εRNG湍流模型来模拟城市雨洪系统间歇泉现象,具体步骤如下：(1)构建城市雨洪系统间歇泉的三维模拟数学模型；可压缩水气两相瞬变流动采用VOF模型描述，求解水相体积分数方程、混合相的动量方程以及能量方程基础上，耦合湍流方程封闭整个求解系统；(2)根据工程实例建立三维流道模型，并进行网格划分；(3)根据工程实例，设置初始条件及边界条件；(4)求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气水界面进行追踪。进一步地，所述步骤(1)还包括：(1.1)水体密度和水锤波速的计算；水体密度为：其中，，Δpw*＝pw*-pw*0，为液体绝对参考压力pw*0下的密度；ρw和K为分别绝对压力pw*下的液体密度及体积模量；水锤波速为：其中，Kset为根据实际波速折合了管壁弹性后的虚拟水体弹性模量。根据实际测量波速，由公式(2)求得虚拟水体弹性模后，将该值再代入公式(1)、(2)，即可实时根据计算的压力更新水体密度及波速；(1.2)空气可压缩性采用理想气体定律；(1.3)湍流模型采用RNGk-ε湍流模型。其标准的控制方程为湍动粘度μt用k-ε的函数表示：式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；σk和σε分别是k和ε的紊流普朗特数，μ是粘性系数，Gk是由平均速度梯度产生的湍流动能，Gb是由浮力产生的湍流动能，YM是由可压缩湍流脉动扩散的，值取为C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3。进一步地，步骤(2)还包括：(2.1)划分网格采用结构性网格，在横竖管相接的三通处进行细化，纵向长度小于0.022，递增比例小于1.1；(2.2)竖管在靠近三通处细化，长度为0.001，竖管的纵向网格小于0.00626。进一步地，步骤(3)具体还包括：将划分好的网格文件导入ANSYS软件FLUENT模块，根据实施例设置：(3.1)初始条件：(3.1.1)设置水相、气相对应得计算域；(3.1.1)设置气体初始压力、水体初始压力；(3.2)边界条件：(3.2.1)固定壁面：运动边界：静止、光滑且无滑移；热力边界：对流，并根据实际设置管壁厚度；(3.2.2)瞬变启动条件，阀门开启：根据阀门开启规律编写UDF，并设定运动区域；假定阀门线性开启，其旋转角速度ω与关闭时间tc之间的关系为：(3.2.3)入口设置：进水口断面为压力进口，在实验过程中为系统提供稳定的水压，根据实际设置压力大小；(3.2.4)出口入口：出口边界为压力出口，相对压力为零。进一步地，步骤(4)具体还包括：水气界面追踪采用几何重构技术，具体流程为：(4.1)在步骤3的基础上，选择瞬态求解器；(4.2)选择VOF两相模型，确立RNGk-ε湍流模型；(4.3)设定空气相密度按气体定律变化；(4.4)连续方程及动量方程求解采用PISO算法，设定各变量松弛因子，对各压力传感器位置进行压力监控、温度传感器位置进行温度监控，设定时间步长进行迭代求解有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)将间歇泉实验系统全流道整体全部纳入计算范围之内，充分考虑了流道之中液体流态变化对整个模拟系统的影响；(2)可以动态观测气团压缩-膨胀，以及气团的分裂及合并过程，以及其位置分布；(3)可以准确再现城市雨洪系统“间歇泉”瞬态特性。附图说明图1本专利技术具体实施例的简化实验装置示意图；图2本专利技术基于k-εRNG湍流模型的城市雨洪系统“间歇泉”瞬态特性的三维模拟方法的流程图；图3本专利技术具体实施例的网格划分示意图；图4本专利技术具体实施例的三维计算模型；图5本专利技术具体实施例中压力传感器12处的计算结果与实验数据的对比图；图6本专利技术具体实施例中温度传感器11处的计算结果与实验数据的对比图；图7本专利技术具体实施例中气团移动至三通处，水气分布图；图8本专利技术具体实施例中气团沿着竖管向外喷发时，水气分布图。具体实施方式：下面结合附图及具体实施例，进一步阐明本专利技术。实施例：为了验证并分析本专利技术提供的基于k-εRNG湍流模型的城市雨洪系统“间歇泉”瞬态特性的三维模拟方法的模拟效果，选取选取Jingetal.设计搭建的排水管道实验系统，其简化的实验装置示意图见图1。系统主要由水箱，有机玻璃材料的横管、竖管、三通，球阀。横管管道内径0.05m，上半段横管长3.47m，先半段长3.47m，1号、2号、3号球阀间隔0.6m，管壁厚度5mm；竖管长1.8m、内径16mm，管壁厚度0.02m。“间歇泉”现象由突然开启球阀管道尾部气团从竖管快速排放引起。实验工况参数为上游入口压力8.624KPa，初始气团长度0.6m，阀门开启时间0.02s。如图1：1-空气；2-水箱；3-水；4-有机玻璃管-横管；5-有机玻璃管-竖管；6-三通；7-0号球阀；8-1号球阀；9-2号球阀；10-3号球阀；11-压力传感器2；12-压力传感器1。本实施例基于k-εRNG湍流模型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法，其特征在于，利用k-εRNG湍流模型来模拟城市雨洪系统间歇泉现象,具体步骤如下：/n(1)构建城市雨洪系统间歇泉的三维模拟数学模型；可压缩水气两相瞬变流动采用VOF模型描述，求解水相体积分数方程、混合相的动量方程以及能量方程基础上，耦合湍流方程封闭整个求解系统；/n(2)根据工程实例建立三维流道模型，并进行网格划分；/n(3)根据工程实例，设置初始条件及边界条件；/n(4)求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气水界面进行追踪。/n

【技术特征摘要】
1.一种城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法，其特征在于，利用k-εRNG湍流模型来模拟城市雨洪系统间歇泉现象,具体步骤如下：
(1)构建城市雨洪系统间歇泉的三维模拟数学模型；可压缩水气两相瞬变流动采用VOF模型描述，求解水相体积分数方程、混合相的动量方程以及能量方程基础上，耦合湍流方程封闭整个求解系统；
(2)根据工程实例建立三维流道模型，并进行网格划分；
(3)根据工程实例，设置初始条件及边界条件；
(4)求解控制方程系统，对监控点进行压力监控，并对气水界面进行追踪。


2.根据权利要求1所述的城市雨洪系统间歇泉瞬态特性的三维模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：
(1.1)水体密度和水锤波速的计算；
水体密度为：



其中，为液体绝对参考压力下的密度；ρw和K为分别绝对压力pw*下的液体密度及体积模量；
水锤波速为：



其中，Kset为根据实际波速折合了管壁弹性后的虚拟水体弹性模量。根据实际测量波速，由公式(2)求得虚拟水体弹性模后，将该值再代入公式(1)、(2)，即可实时根据计算的压力更新水体密度及波速；
(1.2)空气可压缩性采用理想气体定律；
(1.3)湍流模型采用RNGk-ε湍流模型，其标准的控制方程为



湍动粘度μt用k-ε的函数表示：



式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；σk和σε分别是k和ε的紊流普朗特数，μ是粘性系数，Gk是由平均速度梯度产生的湍流动能，Gb是由浮力产生的湍流动能，YM是由可压缩湍流脉动扩散的，值取为C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3。


3.根据权利要求1所述的城市雨...

【专利技术属性】
技术研发人员：周领，方浩宇，王沛，曹云，潘天文，薛子剑，李赟杰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32