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1、采用激波拟合法数值模拟城市雨水管道中明满流混合流动茅泽育,肖汉，胡应均，罗昇(清华大学水利水电工北京IOOOM)M 更：针对城市雨水管迫中的明满流混合济动水力现象，采用激波拟合法及髙精度时间序列插值格式，建立了 数值计算模型经与试验结果比较，表明模型能较好地模拟明满流过渡的水力现彖.同时，本文对管道中涌波的 传播过程及波峰后的压强变化进行了分析研究.关键诲：城市雨水管道，明满流，涌波,激波拟合法在城市雨水管网中经常发生明满流混合流动现象目前，国内外数值模拟明满流主要采用Preismann 明窄缝假定。该方法难以模拟负压、气泡运动等水力现象。激波拟合法由于间斯两侧的水力要素严格符合 跳跃条件，因
2、此间断面位置及传播速度更为准确.而且，数值间断形状陡箱，可说是具无限分辨率.如 图I (a)所示，对于封闭的管道，给定边界条件和初始条件时，随着水位沿管道的变化，将可能形成间断 面(涌波)间断面的一侧为有压流，另侧为明流，并且在非恒定流条件下灌波将在管道内来回移动本文针对城市雨水管道中的明满流混合流动水力现象，采用激波拟合法建立了数值计算模塑，并与试 验结果进行了比较。同时，对管道中涌波的传播过程及波峰后的压强变化情况进行了分析研究1控制方程一维明渠非恒定流动的控制方程由连续方程和运动方程组成，即圣维南方程组：式中，y为水深；y为断面平均水深；t3jnghuaeducn)： 肖 汉(1987)
3、.妙.湖北人硕上生主粪从爭水力学研丸：胡应均(1987).男.更庆人.横士生主要从爭水力学研!罗昇(1981).男.江苏人.顒士生.主要从寧水力学研咒H-50P间断面变为静止。由连续性方程得到A（V| - w） = J2（V2-w）（5）式中，下标】和2分别代表涌波有压侧和明流侧。由涌波两侧动量守恒得g（4 人 AJ2）=（V2 -掰-4（片-W）1其中.刃为明流段水面到过水断面形心点距离.加为波峰后的压强水头根据式（5）、（6）可得到波峰的 运动速度表达式：w=v SZIZKZZZi（7）V 4（4-A）式（1）-（7）刃为求解管道中涌波运动的数学模型采用特征差分法.结合时间序列插值格式可建
4、 立起数值计算模型。计算时给定上游边界水头九，求解得到当前时步波速w,并预测下一时步的波峰位 置，从而确定有压流和明流区域，据此分别进行数值求解.Ar图1涌波运动示怠图2试验研究针对管道明满流问趣进行实验研究其 目的是对数值模型进行验证，同时通过对过 渡流动观测，进一步研究明满流过渡机理， 尤其是涌波沿管道的传播现象。图2为实验 装置示意图，水槽由有机玻璃制成，长19m, 宽15cm。试验段位于中部，长8m,正方形 断面.下游衔接一恒定水位的水池.上游端 同样连接一水池，逍过闸门可使上游水池与 水槽隔绝。在明流段断面2、3、4的底部沿 中心线分别安装三个压力传感器。试验前首先使水流处于静止状态
5、。然后, 观测得到的水深变化过程示意图。图2明满流试验的管道纵剖面示愆图缓慢打开上游闸门，形成向下游传播的涌波。图3显示的是（C）（d）图3管道内的流动过程示总图 II -502*试验过程中观测到，最初淹没的是管道上游端，如果瞬间关闭，则水面和管顶间的气体发生髙频蕊动: 上游端被淹没后，管道中形成向下游传播的涌波，且推进过程中变得陡宜、容易界定，在间断面后附近水 II -502*图5给出的是、九计算值与量测值比较，显然两者吻合较好。图5 (a)、(b)中两条水位变化过程 线有一明显区别，即当涌波通过管道末断断面后，為在勺$时段内保持近似恒定，这与实验观测结果相 一致。九却持续增加，并在时刻心急
6、速下降，然后在时刻4急剧增加，水位变化较为剧烈。(a) 3断面水深的计算值与实测值比较(b) 4斯面水深的计算值与实测值比较图5明流段水深的计算值与实测值的对比流高度紊动与掺气；涌波完全通过管道后，管道处于全淹没，出口附近的水位在一段时间内无显著变化。3模型验证及成果分析针对试验工况进行了数值模拟。边界条件为断面2处的水深尽与下游末端的恒定水位。对于上游边界条件间隔0秒读取数据点，初始水位为0.112米。图4中给出了管道中流态变化的时间范围。图中 鸟为鹹测结果，h3.h4为断面3、4处的水深计算值。 由于并非静圧，量测值呈现一定波动，但计算结果 具有光滑特性.由于下游与恒定水位的水池相衔接,
7、水位较低，因此，各断面水深沿程降低。总体看， 明流段水深基本保持同步变化。下游段水深加、九的 最大值与上游水深加最大值之间略有时滞。随着上 游水位增加，管中及下游水深持续上升。在15.27秒 左右，管道进口断面处开始处于淹没状态.计算结 果表明，此时下游水位也迅速达到洞顶.这样，从 15.27秒开始.将形成向下游传播的涌波。如上所述，在15.27秒后，管道中形成了有压流向明流过渡。这一过渡时间极为短暂.根据计算结果, 其持线时间为4.28秒，而实测值为4.21秒。图6为涌波波速的计算结果。由图可见，涌波初始形成时， 波峰推进速度由明流微波波速迅速增加到近2.0m/s,此后波速略有下降.在接近出
8、口断面时，波速急速下 降。由于涌波在管道中的传播时间极为短暂，因此，直观上看，涌波峰面以近乎恒定速度从管道进口断面 推进到管道末端。波峰后的压强九计算结果如图7所示。由图可见.九虽有变化，但接近于最大水深值这是因为断 面1接近口由水面，但久又略大于A，表明F游明流在过渡为有压流时，对管道顶部产生冲击作用，整个 管段处丁涨水过程，可以推测，如果管中形成负涌波，波峰后的压强将小于最人水深值即形成负压。此 外，对于变化剧烈的水力系统，九将大大趙过断面最大水深值。0.1M-E0 .150-V17)til ie20图6明满流混合流动的涌波运动速度。他1!I1$U171920t/S图7涌波波峰后压强水头变
9、化过程4结论本文采用激波拟合法，建立了城市雨水管道中明满流混合流动数值模型并与试验结果进行了比较.通 过跟踪明满流过渡異面位置随时间的变化，对管道中涌波传播过程进行了分析.研究结果表明，本文建立 的计算模型是可行的，可以应用于其他水力系统混合流动的计算.参考文献：罗昇.管道中明満流机理及数值计算方法研究D】北京:清华大学,2006.相鹏.城市排水管逍中明满涼的研究与数值模拟D.北京:清华大学,2006.茅泽育赵雪峰赵玻，罗昆排水管网非恒定流数值模拟新方法卩.水利水运工程学报,2007,(2):4247谭维炎.计算浅水动力学一有限体积法的应用M清华大学岀版社,199&Mao Zeyu. Nume
10、rical simulation of discontinuous flow in circular conduits J, Journal of Hydrodynamics, 1996, Ser.B, 8(3): 6474.The application of shock-fitting method in the simulation of free-pressured transient flowMao Zeyu. Xiao Han, Hu Yingjun, Luo Sheng(Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua Universit
11、y, Beijing 100084)Abstract: A numerical model for simulation of mixed free-surface-pressure flow within urban storm drainage networks has been developed, based upon shock-fitting method with highly accurate time-line interpolation. Verification of simulated results with experimental data indicates t
12、hat the model presented can be used to simulate the transient flow with high accuracy. In addition, the propagating process of the surge and the pressure head behind the surge have also been analyzedKeywords: Urban-storm drainage pipe-networks, free-surface-pressure transient flow, surge, shock-fitt
13、ing methodI【504采用激波拟合法数值模拟城市雨水管道中明满流混合流动19i钛 it-It作者： 作者单位:茅泽育，肖汉，胡应均，罗昇清华大学水利水电工程系北京100084本文读者也读过(10条)1. 陈杨.俞国青.CHEN YangYU Guo-qing明满流过渡及跨临界流一维数值模拟期刊论文-水利水电科技进展2010,30(1)2. 樊红刚.陈乃祥.杨琳.黄健兵.FAN Hong-gang CHEN Nai-xiang. YANG Lin. HUANG Jian-bin明满交替流动计算方 法研究及其实验验证期刊论文-工程力学2006,23(6)3. 徐国宾.徐文卓.房秀芳 有压输
14、水箱涵明满过渡流数值模拟会议论文-20074. 胡应均.茅泽育 城市雨水管网中明满流与水气两相流研究进展会议论文-20105. 茅泽育.赵雪峰.赵璇.罗昇.MAO Ze-yu ZHAO Xue-feng. ZHAO XuanLUO Sheng排水管网非恒定流数值模拟新方 法期刊论文-水利水运工程学报2007(2)6. 徐文卓长距离输水系统明满流及水位调节时的水力控制研究学位论文20077. 褚宝鑫.樊红刚.陈乃祥 具有明满交替流大型水电站的动态数值模拟及优化设计研究期刊论文-工程力学2003,20(4)8. 李强长距离输水系统明满流及水力控制研究学位论文20069. 汪俊.桂林.Wang Jun Gui Lin有压输水管道中明满流产生与进口段布置的关系探讨期刊论文-四川水利2007,28(4)10. 陈杨明满流过渡及跨临界流的数值模拟学位论文2006本文链接：http:/
