[發明專利]一種城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法

在審

• 申請號: 202010046752.7
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111400967A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 周領;方浩宇;王沛;曹云;潘天文;薛子劍;李赟杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/18;G06F113/08;G06F113/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，基于k?εRNG湍流模型，涉及計算流體動力學領域。該方法步驟如下：S1進行三維建模，網格劃分；S2采用VOF方法進行水氣兩相瞬變流動計算；S3后處理軟件對計算結果進行處理。極端暴雨背景下，城市雨洪排水系統中水氣耦合作用下，常發生類似井噴的“間歇泉”現象。本發明考慮了水體氣體壓縮性，可以準確模擬水氣運動過程的瞬態特性及壓力變化，進而可以更深入地研究該過程中氣。水耦合作用；基于k?εRNG湍流模型，采用計算流體動力學理論，提出了一種模擬雨洪系統中間歇泉現象的三維模擬方法，以探索城市雨洪系統中間歇泉瞬態特性及壓力變化。

技術領域

本發明涉及水力學數值模擬，具體涉及城市雨洪系統中間歇泉現象瞬態特性的三維模擬方法。

背景技術

極端暴雨情況下，城市雨洪系統排水管道將處于滿負荷工作狀態，其過程中會混入的大量有壓空氣，形成滯留氣團。滯留氣團的存在可能會引起管道堵塞，降低排水系統的總體容積和排水效率。當滯留氣團經過豎井的時候，劇烈的氣水相互作用甚至會引發豎井處出現爆發性的“間歇泉”現象，沖翻井蓋、污水出井口，其對應的異常水錘極有可能導致管道系統的破壞，對城市的道路安全及公共衛生產生較大的影響。此外，排水管道系統錯綜復雜的結構，也將使得城市排水管道中的水氣兩相流問題變得更為復雜。然而，至今為止，實際管道系統的設計標準只考慮管道載滿水的情況，并不考慮“間歇泉”現象的存在及其危害；對于“間歇泉”現象的情況，管道設計中尚無相應的計算標準，且已有成果尚不完善。因此，為保證城市雨洪管道系統的安全運行，針對“間歇泉”現象所引起的瞬變流現象進行深入細致的研究，具有重大的現實意義。

很對學者對上述復雜瞬變流進行了研究，建立了相關的實驗系統。然而，由于“間歇泉”現象的復雜性，在物理實驗中難以測量分析其瞬態壓力特性。因此，對城市雨洪系統中“間歇泉”現象采用高維數值模擬，并盡可能還原實際物理實驗情況，以更準確地模擬、研究“間歇泉”現象過程中水氣瞬態特性及壓力變化是十分必要的。

發明內容

發明目的：針對城市雨洪系統中間歇泉現象機理不明，本發明基于k-εRNG湍流模型，采用計算流體動力學理論，提出了一種模擬雨洪系統中“間歇泉”現象的三維模擬方法，以探索城市雨洪系統中“間歇泉”瞬態特性及壓力變化。

技術方案：一種城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，利用k-εRNG湍流模型來模擬城市雨洪系統間歇泉現象,具體步驟如下：

(1)構建城市雨洪系統間歇泉的三維模擬數學模型；可壓縮水氣兩相瞬變流動采用VOF模型描述，求解水相體積分數方程、混合相的動量方程以及能量方程基礎上，耦合湍流方程封閉整個求解系統；

(2)根據工程實例建立三維流道模型，并進行網格劃分；

(3)根據工程實例，設置初始條件及邊界條件；

(4)求解控制方程系統，對監控點進行壓力監控，并對氣水界面進行追蹤。

進一步地，所述步驟(1)還包括：

(1.1)水體密度和水錘波速的計算；

水體密度為：

其中，，Δp_w^*＝p_w^*-p_w^*₀，為液體絕對參考壓力p_w^*₀下的密度；ρ_w和K為分別絕對壓力p_w^*下的液體密度及體積模量；

水錘波速為：