摘 要：【目的】為了減少由短時強降雨或持續(xù)降雨量超過城市綜合排澇能力所導(dǎo)致的城市內(nèi)澇災(zāi)害，需要對城市排水設(shè)施進行優(yōu)化?！痉椒ā勘狙芯客ㄟ^對原有雨箅子進行改良，采用渦輪狀結(jié)構(gòu)代替部分原有結(jié)構(gòu)，利用渦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)勢提高雨水口的過流能力，在相同的流量下通過物理水槽模型，使用普通條狀、兩個渦輪、四個渦輪三種類型的雨箅子，研究箅前水深。使用FLUENT軟件結(jié)合水流運動方程，研究普通條狀和雙渦輪雨箅子的水流下泄速度和水流箅后速度?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：雙渦輪的雨箅子箅前水深最??；普通條狀的雨箅子箅前水深居中；四渦輪的雨箅子箅前水深最大。水流通過雙渦輪的雨箅子的下泄速度大于普通條狀雨箅子，但箅后速度小于普通條狀雨箅子?！窘Y(jié)論】該研究精確模擬了水流經(jīng)過雨箅子的過程，有助于深化認識雨箅子的泄流規(guī)律，為城市的內(nèi)澇管理提供重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水槽模型；雨箅子；數(shù)值模擬；水流速度

中圖分類號：TU992" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0063-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.012

Study on the Influence of Rain Grate on Water Flow

ZHU Yu SUN Xiaoming XU Zhiheng

（1.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China；

2.Dongping Lake Authority ， Shandong Province， Jining 272000， China）

Abstract： [Purposes] In order to reduce urban waterlogging disasters caused by short-term heavy rainfall or continuous rainfall exceeding the comprehensive drainage capacity of the city， it is necessary to optimize urban drainage facilities.[Methods] In this study， the original rain grate was improved， the turbine-like structure was used to replace part of the original structure， the advantages of the turbine structure were used to improve the overflow capacity of the rainwater outlet， and the water depth in front of the grate was studied by using three types of rain grates， ordinary strip， two turbines and four turbines， through the physical sink model under the same flow rate. Using FLUENT software combined with the equation of water flow motion， the water flow downflow velocity and the water flow grate after the water flow grate of ordinary strip and twin turbine rain grates were studied.[Findings] The results show that the water depth in front of the grate of the twin-turbine is the smallest; the water in front of the ordinary strip-shaped rain grate is deep in the center; the four-turbine rain grate has the greatest water depth in front of the grate. The discharge speed of water flow through the twin-turbine rain grate is greater than that of ordinary strip rain grate， but the speed behind the grate is less than that of ordinary strip rain grate.[Conclusions] This study accurately simulates the process of water flowing through the rain grate， which is helpful to deepen the understanding of the discharge law of the rain grate， and provides important guiding significance for the urban waterlogging management.

Keywords： sink model; rain grate; numerical simulation; water velocity

0 引言

近年來，隨著我國城市化的高速發(fā)展，市政道路也逐步得到完善，形成了較為完整的城市交通鏈接網(wǎng)［1-2］。雨箅子作為常用的排水設(shè)施，因其具有良好的截流泄水功能，在市政道路工程中得到廣泛應(yīng)用［3］。然而在雨水多的季節(jié)，由于降雨量過大，部分道路上的雨箅子依然會出現(xiàn)排水不及時的情況，導(dǎo)致路面大量積水，對交通甚至人民生命安全造成嚴重影響［4-6］。因此，研究雨箅子的排水特性，提升雨箅子的排水能力對于市政工程具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過物理模型和數(shù)值模擬，研究水流通過雨水口的泄流能力，并提出一系列泄流量計算公式。張珂等［7］利用RNG紊流模型模擬得出雨水口的泄流能力與雨箅子是否被淹沒具有一定相關(guān)性的結(jié)論。張林洪等［8］通過對不同形式的雨水口箅子的泄水量進行試驗研究，對雨水口設(shè)計提出了推薦方案。劉雷斌等［9］通過搭建雨水口過流特性試驗水工模擬平臺，對城市道路中常見的偏溝式、聯(lián)合式、立箅式雨水口的收水量進行系統(tǒng)的試驗研究，得出不同城市道路下雨水口的收水量關(guān)系曲線，為城市道路雨水口優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。此外，吳鵬等［10］、李鵬等［11］都通過模型試驗對不同形式的雨箅子的排水能力及流量系數(shù)進行了分析和率定。柳威［12］針對不同縱坡和柵條角度對雨箅子排水特性的影響展開對比分析，然而受到試驗條件的限制，其研究成果均具有一定的適用條件。陳倩等［13］采用完整的雨水口結(jié)構(gòu)，通過開展模型試驗對較大水深下雨水口泄流能力進行了研究，并基于堰流及管嘴出流模式及量綱分析法提出了較為通用的計算公式。上述研究中陳倩精細考慮了雨水口本身結(jié)構(gòu)的影響，但僅對一種特定規(guī)格的雨水口進行試驗，沒有考慮雨箅子形式對雨水口泄流量的影響?；诖?，該研究以市政道路排水設(shè)施為背景，在原有雨箅子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了新型雨箅子，通過物理模型試驗和數(shù)值模擬對比分析了新型雨箅子與普通雨箅子在不同進口流量下的箅前水深、下泄流速與箅后流速，分析雨水通過雨水口的下泄過程。

1 物理模型

1.1 水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該水槽模型設(shè)計成自循環(huán)裝置，由前池、水槽、下泄水箱、尾水箱組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中前池長15 cm、寬50 cm、高40 cm，水槽長200 cm、寬50 cm、高10 cm。下泄水箱長35 cm、寬20 cm、高50 cm，尾水箱長15 cm、寬50 cm、高60 cm。前池底部下放石子，使水流通過水泵后平穩(wěn)流入水槽。為向水槽提供均勻平緩、流量可測的徑流，對設(shè)置在水槽前方的前池部分進行消能處理。

1.2 雨箅子結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考相關(guān)資料并結(jié)合實際情況，對原有雨箅子進行改良，設(shè)計兩種不同樣式的新型雨箅子。新型雨箅子在普通雨箅子的基礎(chǔ)上進行一定程度的改良，用渦輪樣式結(jié)構(gòu)替代部分原有結(jié)構(gòu)。新型雨箅子的渦輪樣式結(jié)構(gòu)由框體和弧形雨水箅條組成，框體為圓形，如圖2所示。中間孔直徑1 cm，分三層每層12個孔由內(nèi)孔到外孔直徑依次為4 mm、6 mm、8 mm。所有雨水箅條以中心孔為圓心排成渦輪狀，并以0.3的坡度向中心旋轉(zhuǎn)，彎曲曲率為15°。該設(shè)計可以使水流通過時形成漩渦。根據(jù)水力學(xué)原理，雜物因為離心力及重力作用，質(zhì)量較輕的漂浮物如樹葉會匯集到渦流外圍隨水流不?；剞D(zhuǎn)直至水流完全排空，避免其沉積堵塞到箅子上。

普通雨箅子如圖3所示，長為350 mm、寬為200 mm，其中矩形泄水口尺寸為100 mm×13 mm。四渦輪雨箅子如圖4所示，中間設(shè)計7個矩形泄水口，渦輪直徑為90 mm，豎式排列，兩渦輪間距為100 mm。雙渦輪雨箅子渦輪直徑100 mm，中間同樣設(shè)計7個矩形泄水口，為了試驗的準確性，使排水面積相同，雙渦輪雨箅子多開設(shè)4個矩形泄水口，如圖5所示。

2 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗過程

通過調(diào)節(jié)水閥開度提供三種進口流量，并在入口處用三角堰測量出進口流量的具體數(shù)值。待測試雨箅子設(shè)置在距離徑流入流處1.2 m的位置，當(dāng)雨箅子表面徑流開始穩(wěn)定下泄到水箱后，獲取箅前水深數(shù)據(jù)，比較在同等進口流量條件下，不同樣式雨箅子的下泄情況，從而分析不同類型的雨箅子對下泄的影響。為了使試驗更貼近實際情況，隨機選取一些樹葉讓其隨徑流一起流動，觀察樹葉流動軌跡以及新型雨箅子引起的水流流態(tài)是否對樹葉等雜物有阻礙堵塞的作用。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在本次試驗中，為測量在不同的流量條件下三種不同樣式雨箅子的過水能力，通過控制水閥開度來調(diào)節(jié)三種進口流量（即在水閥開度為1/4、1/2與全開時分別進行試驗），通過前池上的三角堰可以測得在不同水閥開度條件下大中小進口流量的具體值。待水流穩(wěn)定后，用直尺測量箅前水深，分析三種流量下不同雨箅子的水流下泄能力。試驗結(jié)果見表1，箅前水深平均值如圖6所示。

通過分析圖表數(shù)據(jù)可以得到：當(dāng)流量為3.95 L/s時，雙渦輪雨箅子的箅前平均水深為1.86 cm，小于普通雨箅子的2.10 cm和四渦輪雨箅子的2.48 cm；當(dāng)流量為6.23 L/s，雙渦輪雨箅子的箅前平均水深為1.60 cm，普通雨箅子為1.80 cm，四渦輪雨箅子為2.10 cm，兩渦輪雨箅子的箅前水深最?。划?dāng)流量為8.16 L/s，雙渦輪雨箅子的箅前平均水深為1.42 cm，小于普通雨箅子的1.54 cm，也小于四渦輪雨箅子的1.84 cm。過流能力最好的是雙渦輪雨箅子，其次是普通雨箅子，過流能力最差的是四渦輪雨箅子。

為深入研究四渦輪雨箅子的過水能力最差的原因，將水槽中的水重新循環(huán)，試驗現(xiàn)象如圖7所示。表明水流通過四渦輪雨箅子時，由于水流的速度和方向突然發(fā)生變化，四周的渦輪會使水流產(chǎn)生漩渦，四個漩渦相互碰撞，水流態(tài)不穩(wěn)，導(dǎo)致水流無法順利下泄。

研究雜物流經(jīng)雙渦輪雨箅子的下泄過程，在水槽中放入樹葉。為使試驗現(xiàn)象更明顯，在水中加入高錳酸鉀溶液，觀察到當(dāng)樹葉順水流經(jīng)過渦輪雨箅子的漩渦流時，樹葉會隨水流旋轉(zhuǎn)并漂浮在水體表面，而不是沉入水中。因此，當(dāng)水流中出現(xiàn)漂浮的落葉等較輕的懸浮物時，渦輪雨箅子的漩渦流可以使落葉受到影響而隨漩渦漂浮在水面上，不致堵塞進水口造成雨水下泄不暢，試驗現(xiàn)象如圖8所示。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 模型建立

因四渦輪雨箅子的泄水能力最差，所以在此不做研究，數(shù)學(xué)模型只研究雙渦輪雨箅子和普通雨箅子的泄水過程。本次數(shù)值模擬采用的雨箅子尺寸與雨箅子實物尺寸比例為1∶1，水槽材料為亞克力板，裝置水平放置。采用Fluent商業(yè)軟件模擬水槽內(nèi)部流場：以實際試驗為依據(jù)，入口邊界設(shè)置入口處來水流量分別為3.95 L/s、6.23 L/s、8.16 L/s，出口邊界為壓力出口，湍流模型選為RNG K-epsilon，模擬求解器選用3D雙精度，算法則采用收斂速度較快的SIMPLE算法。

此外，為研究水流在渦輪樣式雨箅子中的真實流態(tài)，提高模擬的真實性，網(wǎng)格設(shè)計趨于緊密。利用ICEM CFD進行網(wǎng)格劃分，對本次模擬使用混合網(wǎng)格，在帶有渦輪結(jié)構(gòu)位置處即每個孔的進出口設(shè)置四面體（非結(jié)構(gòu)）網(wǎng)格，在水流入口、出口及計算域中水槽內(nèi)設(shè)置六面體（非結(jié)構(gòu)）網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格具有計算精度高等特點，滿足研究渦輪結(jié)構(gòu)運行時的工作狀態(tài)的需求，六面體網(wǎng)格具有計算速度快等特點，滿足對非重點研究區(qū)域的需求。

3.2 不同樣式雨箅子剖面流速分布

三種不同進口流量下（3.95 L/s、6.23 L/s及8.16" L/s），普通雨箅子Y方向水流流速及雙渦輪雨箅子Y方向水流流速見表2。

分析可知：水槽水流由左向右出水，在箅前其流態(tài)為明渠均勻流。從表2可以看出，在同樣流量下，兩種不同形式的雨箅子箅前水流大致相同，因此也間接證明了裝置的可行性及兩種形式雨箅子的可比性。當(dāng)水流經(jīng)過雙渦輪雨箅子表面時，其流態(tài)發(fā)生變化，Y方向代表經(jīng)雨箅子流入水箱的豎直方向，對于普通樣式雨箅子來說，在來水流量為3.95 L/s、6.23 L/s及8.16 L/s時，其經(jīng)過箅子后的流速分別為0.07 m/s、0.12 m/s及0.15 m/s，對于雙渦輪雨箅子過箅子后的流速分別為0.17 m/s、0.24 m/s及0.30 m/s。分析所得數(shù)據(jù)可知，對于同一個形式的雨箅子在流量變化時，其水流下泄速度隨著流量的增大而增大；對于兩種不同形式雨箅子，雙渦輪雨箅子要比普通雨箅子下泄速度快。其原因在于雙渦輪雨箅子形成的漩渦使水流在下泄的時候速度發(fā)生劇增，使得雙渦輪雨箅子的排水能力強于普通雨箅子。

三種不同進口流量下（3.95 L/s、6.23 L/s及8.16 L/s），普通雨箅子Z方向水流流速及雙渦輪雨箅子Z方向水流流速見表3。

Z方向代表經(jīng)雨箅子流入尾水箱的水平方向，以此方向為速度正方向。在同樣來水流量為3.95 L/s、6.23 L/s及8.16 L/s時，對于普通雨箅子來說，水平流速分別為-0.02 m/s、-0.03 m/s及0.04 m/s，對于雙渦輪雨箅子其過箅子后流速分別為-0.04 m/s、-0.07m/s及-0.09 m/s，對比可得在沿著水流方向，即Z方向，水流經(jīng)過普通雨箅子要比雙渦輪雨箅子流速大。雙渦輪雨箅子Z方向流速小，甚至速度方向發(fā)生變化，說明了渦輪結(jié)構(gòu)對其流過的水流有匯集作用，使得水流不易向箅后流動，也說明了渦輪結(jié)構(gòu)在Y方向上速度大的原因。

4 結(jié)論

采用物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得出以下結(jié)論。

①通過物理模型試驗，當(dāng)來水流量相同的情況下，雙渦輪雨箅子的箅前水深最?。ǚ謩e為1.86 cm、1.60 cm、1.42 cm），普通雨箅子的箅前水深居中（分別為2.10 cm、1.80 cm、1.54 cm），四渦輪雨箅子的箅前水深最大（分別為2.48 cm、2.10 cm、1.84 cm）。雙渦輪雨箅子的過流能力最強。

②通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，雙渦輪雨箅子Y方向的水流流速（下泄流速）大于普通雨箅子Y方向的水流流速；雙渦輪雨箅子的Z方向的水流速度（箅后流速）小于普通雨箅子Z方向的水流流速。因為渦輪的漩渦對水流有匯聚作用，讓水流的下泄流速增大，從而箅后流速減小。

③本研究涉及的物理模型和數(shù)值模擬沒有考慮雨水口堵塞的情況，但是日常生活中這種情況非常普遍，以后研究此類問題，應(yīng)把雨水口的堵塞情況考慮進去。

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