CN116050289B - 一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，属于城市排水技术领域，是针对不同跌落高度排水系统水平射流冲击竖井井壁及跌落射流冲击竖井底部跌水池，分别计算竖井井壁及跌水池底板的受力。竖井井壁上的冲击压力主要受入射流速的支配，考虑弹射的自由跌落水流可以更在准确预测水平冲击压力；竖井井底的冲击力主要由跌落射流到达跌水池时的速度决定，同时考虑跌落的环形流和弹射自由跌落水流，可以更好地计算竖井底部的冲击压力。本发明在满足管道系统排水要求的前提下，不仅可以计算城市排水竖井受到的冲击力，对深层隧道排水竖井内冲击力的计算同样适用，可为深层竖井的结构安全评估提供技术支撑，保证排水系统的安全稳定运行。

Description

一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法
技术领域
本发明涉及城市排水技术领域，尤其涉及一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法。
背景技术
城市排水竖井经常被用作能量耗散结构，以减少陡峭地形或深隧道下的排水系统中的管道坡度，如排水系统中的雨水及污水系统。跌落式排水竖井是目前常用的一种类型，其流动特性、能量耗散、落差高度的影响以及跌水池已得到广泛研究。对于具有足够大的落差高度的竖井，水流在落下约5.0 m后可能会瓦解成约2 mm的小水滴。然而，对于中等高度的竖井，当跌落高度不够时，射流可能不会被瓦解，因此射流到达竖井底部跌水池时的形态可能是水滴或水柱。现有研究对竖井内射流冲击效应很有限，需要进一步关注这些结构的适当设计和保护。
本发明旨在提供一种能够计算城市排水射流冲击力的方法，有效获取竖井井壁及井底的受力，为评估竖井的结构安全提供技术支撑，保证排水系统的安全稳定运行。
发明内容
本发明为解决上述问题，而提出的一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，包括以下步骤：
S1：建立城市排水竖井射流冲击力模拟的模型，所述模型包括进水管、进气管、跌落竖井、跌水池和出水管，所述进水管、跌落竖井、跌水池和出水管依次连接，所述跌落竖井顶部连接进气管，所述进气管与外面大气相通；
S2：调节所述进水管内的水流使水流冲击到跌落竖井井壁后，形成贴壁的环形流和弹射的自由跌落水流，所述自由跌落水流依据流量和竖井的跌落高度分别以水柱形式跌落的跌落水柱和水滴形式跌落的跌落水滴；
S3：分别计算水平射流撞击井壁的冲击力和跌落射流撞击井底的冲击力。
优选地，水平射流撞击竖井井壁之后划分为贴壁的环形流与自由跌落的射流，自由跌落射流与总入流的比值不大于0.2。
优选的，对于水平射流撞击井壁冲击力的计算方法如下：
基于方程(a1)求解竖井井壁的冲击力为：
其中，F1是竖井井壁受到的冲击力；ρ是入流的水平速度；Q0是入流流量；A0是水平入流的速度；α是反弹的自由跌落水流与总入流的比值。
优选的，对于跌落射流撞击井底的冲击力计算方法如下：
(1)首先计算贴壁环形流的最终流速
基于方程(b1)建立贴壁环形流的动量方程：
其中，Aw是环形流的横截面积；vw是环形流的速度；δ是环形流的厚度；Ds是竖井的直径；τ0是壁面与环形流的剪切应力；g是重力加速度；t是时间。
竖井井壁与环形流的剪切应力还可以表示为
其中，f是达西-魏斯巴赫系数。联立方程(b1)和(b2)可以求得计算竖井环形流跌落速度的数值方程
(2)计算自由弹射流的最终流速
基于方程(b4)求得计算竖井内水柱形势自由跌落水流速度
其中，Hs是竖井的跌落高度；vw2是竖井自由跌落水流速度。
水滴形式的自由跌落水流速度按照方程(b4)计算，达到6 m/s后取值为6 m/s。
基于方程(b5)求解竖井底部的冲击力，最终计算下降水流的冲击力：
其中，F2是竖井井底受到的冲击力；h为水垫层的深度。
与现有技术相比，本发明提供了一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，具备以下有益效果：
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过分析竖井内部的水气相互作用，依据跌落高度的不同，将自由跌落水流划分为水柱跌落和水滴跌落。本发明提出的一个简化的方程，通过考虑反弹的水流，能够预测由于撞击在竖井井壁上的平均压力。
(2)竖井底部的冲击压力主要由下降的射流到达水池时的速度决定，这与水的流速和下降高度有关。本发明通过假设一定比例的环形流和反弹射流，提出的方程可以用来评估竖井底部的冲击压力，以确定是否有必要采取结构安全保护措施。
(3)本发明可基于具体的竖井设计尺寸及水流流量信息，在设计阶段实现对竖井冲击力的评估，不依赖于任何的测量设备。这对预防城市排水竖井的结构安全，保障城市排水系统稳定运行，具有十分重要的作用。
附图说明
图1为本发明的跌落竖井内部射流冲击竖井结构的示意图；
图2为本发明的上水平射流冲击竖井井壁的示意图；
图3为本发明的跌落射流冲击竖井底部跌水池的示意图；
图4为本发明实施例一中实测及计算的竖井井壁冲击力；
图5为本发明中实测及计算的竖井井底冲击力一；
图6为本发明中实测及计算的竖井井底冲击力二。
图号说明：
进水管1，进气管2，跌落竖井3，跌水池4，出水管5，入流总流6，环形流7，自由跌落水流8，跌落水柱9，跌落水滴10。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，包括：进水管1、进气管2、跌落竖井3、跌水池4和出水管5。跌落竖井1的顶部连接进气管2，进气管2与外面大气相通。进水管2内的水流冲击到跌落竖井井壁后，形成贴壁的环形流7和弹射的自由跌落水流8。
图4给出了在不同流速下冲击点的计算压力和测量压力的比较，图例中红色标记表示平均值。由图可以看出，公式(a1)可以用来估计射流冲击竖井后井壁所产生的平均压力。被弹起的水与总入流的流量比和速度比为α和β。当忽略被弹起的水(即αβ＝0)或考虑少量被弹起的水(即αβ＝0.1)时，由射流冲击产生的滚筒高度明显增加，最高点接近流入的水面，为Q*＝0.229。与流量为Q*＝0.165的撞击相比，更多的水被弹开。因此，在计算冲击压力时，需要更大的αβ，以便与测量压力相等。忽略或考虑少量的弹跳水，计算结果在实验测量的范围内。当考虑更多的反弹水(即αβ＝0.2)，在大流量情况下，计算值比实验数据大。因此，本发明下的流量弹射系数小于0.2，这与实验观察结果一致。一般来说，在评估平均冲击压力时，建议考虑反弹的射流。
实施例2：
图5给出了H＝3.38 m时，不同流速下井底的计算和测量的平均压力。计算和测量的压力之间的合理一致表明公式(b5)能够预测下降的射流冲击竖井跌水池所产生的平均压力。在自由跌落竖井中，射流开始破碎的起始点与射流的横截面积有关。流量越大，射流横截面积越大，射流破裂发生得越晚，达到的末端速度越高。流速的增加将导致下降水流的终端速度增加，这反过来又增加了井底的冲击压力。
实施例3：
以一个典型的竖井结构来说明如何使用本发明计算方法来评估竖井底部的冲击力。对于一个直径为1.2 m、落差为5.0 m的跌落式竖井，入流流量和速度分别为1.5 m3/s和5.0 m/s。通过使用公式(b3)，当环形流到达跌水池时的速度约为9.7 m/s，没有达到终端速度。不考虑弹跳流，在落差高度为Hs＝3.88米、跌水池为10 cm的跌落式竖井中，由落差射流产生的无量纲平均冲击压力可以达到0.564，最大脉动压力约为平均压力的1.58倍。最大压力和平均压力之间的比率随着竖井的跌落高度增加而增加。设计人员可以根据本发明提出的方程式评估井底的冲击压力，以评估是否需要采取结构安全保护措施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立城市排水竖井射流冲击力模拟的模型，所述模型包括进水管(1)、跌落竖井(3)；
S2：调节所述进水管(1)内的水流使水流冲击到跌落竖井(3)井壁后，形成贴壁的环形流(7)和弹射的自由跌落水流(8)，所述自由跌落水流(8)依据流量和竖井的跌落高度分别为以水柱形式跌落的跌落水柱(9)和水滴形式跌落的跌落水滴(10)，弹射的所述自由跌落水流(8)与入流总流(6)的比例α小于0.2；
S3：分别计算水平射流撞击井壁的冲击力和跌落射流撞击井底的冲击力；
对于水平射流撞击井壁冲击力的计算方法如下：
基于方程(a1)求解竖井井壁的冲击力：
其中，F1是竖井井壁受到的冲击力；ρ是入流的水平速度；Q0是入流流量；A0是水平入流的速度；α是弹射的自由跌落水流(8)与入流总流(6)的比值；
对于跌落射流撞击井底的冲击力计算方法如下：
(1)首先计算贴壁环形流的最终流速；
(2)计算自由弹射流的最终流速；
(3)最终计算下降水流的冲击力；
计算贴壁环形流的最终流速的方法如下：
基于方程(b1)建立贴壁环形流的动量方程：
其中，vw是环形流的速度；δ是环形流的厚度；Ds是竖井的直径；τ0是壁面与环形流的剪切应力；g是重力加速度；t是时间；
竖井井壁与环形流的剪切应力还可以表示为
其中，f是达西-魏斯巴赫系数；
联立方程(b1)和(b2)可以求得计算竖井环形流跌落速度的数值方程：
计算自由弹射流的最终流速的方法如下：
基于方程(b4)求得竖井内水柱形式自由跌落水流速度
其中，Hs是竖井的跌落高度；vw2是竖井自由跌落水流速度；
水滴形式的自由跌落水流速度按照方程(b4)计算，达到6m/s后取值为6m/s；
最终计算下降水流的冲击力的方法如下：
基于方程(b5)求解竖井底部的冲击力：
其中，F2是竖井井底受到的冲击力；h为水垫层的深度。
2.根据权利要求1所述的一种计算城市排水竖井射流冲击力的方法，其特征在于：
所述模型还包括进气管(2)、跌水池(4)和出水管(5)，所述进水管(1)、跌落竖井(3)、跌水池(4)和出水管(5)依次连接，所述跌落竖井(3)顶部连接进气管(2)，所述进气管(2)与外面大气相通。
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