基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井

技术领域

本发明涉及排污或排洪管道系统跌流竖井结构技术领域，具体而言涉及一种基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井。

背景技术

在排污、排水管道系统中，为了将水流从高处输送到低处，排水系统中常设置有竖井或跌水井等跌水结构。然而，较高落差的跌流竖井结构会携带大量外界气体，并在下游管道上方聚集，使下游管道的气压值升高。进而会与外界气压形成较大压差而使管道底部含有刺激性气味的气体从管道系统的空隙逸出。如果压力差到达一定程度，甚至会引发井喷。

跌流竖井内的水流经进水管跌落后，与其对面的竖井边壁撞击后，形成两种射流：壁面射流和自由射流。壁面射流将紧贴竖井壁面向下倾泻，水流能量大量消耗在克服壁面的摩擦力上。而自由射流则远离壁面，在重力作用下自由跌流。经研究发现，竖井内的壁面射流卷吸气体量很少，其中最典型的即为旋流式竖井，这种竖井的整个水流面都紧贴壁面，吸气量很少。而竖井内的自由射流在跌落的过程中，液柱表面与空气作用，气体逐渐进入液柱内部，致使液柱断裂、破碎，形成小水滴，这些水滴大大增加了气液两相的作用面积，使得大量气体随水滴向下运动而被拖拽，并在竖井下游处聚集，发生井喷等危害事件。

壁面射流的形成需要一定的条件，对于旋流式竖井，其特殊的进口使水流产生周向的速度，进而紧贴壁面，直至竖井底部。而跌流式竖井无特殊进口，水流直接从进水口跌落，除水舌碰撞壁面后形成围绕竖井壁面的环形壁面射流外，再无壁面射流形成。

一些学者的研究也表明，跌流竖井内水舌碰撞形成的壁面射流，随来水流量的增大逐渐减少，且确能起到减少竖井吸气量的作用。例如，当来水流量为4.3L/s时，壁面射流约占80％，能减少竖井从外界的吸气量约50％。因此，可通过将竖井内自由射流转换成壁面射流，从而降低竖井内自由射流破碎而产生的小水滴数目，达到减少竖井吸入气体量的目的。

发明内容

本发明目的在于针对现有竖井中水流基本以自由射流的形式跌落，从而造成液柱断裂、破碎形成的小水滴拖拽大量气体的问题，提供一种基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井，该迂水缓流系统减少了竖井内自由射流形成的下泄水滴数目，降低进入污水系统下游的气体，减小跌水结构下游管道内的气压。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井，包括竖井井体及出流管，竖井井体的一侧设有进水管和进气管，进水管位于进气管的下方，竖井井体的底部与所述出流管连接，其特征在于，

所述竖井井体内设有迂水缓流系统，迂水缓流系统设于进水管的下方，包括支撑装置和导流装置；

所述导流装置设有集水容器，所述集水容器的上沿面设有向下延伸的弧面，所述弧面的下沿面与支撑装置的一端弹性连接，且弧面的下沿面与竖井井体的井壁之间存在下部孔口，水流下泄通过所述下部孔口形成壁面射流，支撑装置的另一端与竖井井体的井壁连接。

优选的，下部孔口的尺寸通过以下方法获得：

以导流装置的弧面为半球体，弧面的上沿面和下沿面均为圆形，且圆心均在球体的中心轴线上，由此，建立弧面的截面模型；

截面模型中，弧面下沿面的直径为R，上沿面的直径的两端点分别与下沿面的圆心连接，形成的角度为θ；

水流开始从集水容器中，即上沿面处溢出时，下落的高度为h，至集水容器底端时的垂向流速为v，过水面积为w，流量为Q，则下部孔口的尺寸L＝f(Q,D,θ)，满足公式(1)：

式(1)中，D是竖井井体的直径；R满足公式(2)

式(2)中，D是竖井井体的直径；Q值为进水管的水流流量；v满足公式(3)

式(3)中，g为重力加速度，其值为9.81m/s

式(4)中：θ为60°～120°。

优选的，所述支撑装置包括第一支架、第二支架和第三支架，所述第一支架与竖井井体的井壁连接，第二支架的一端与第一支架垂直连接，第二支架的另一端与第三支架垂直连接，第三支架的端部与弧面的下沿面弹性连接。

优选的，所述第一支架包括相互垂直相交的第一支撑杆和第二支撑杆，且交点为各自的中点，第二支架的一端位于第一支撑杆和第二支撑杆的交点处。

优选的，所述第一支撑杆的两端与竖井井体的井壁连接，所述第二支撑杆的两端与竖井井体的井壁连接。

优选的，所述第三支架包括相互相交呈米字形的第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆，且交点为各自的中点，第二支架的另一端位于第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆的交点处。

优选的，所述第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆的两端均设有弹性装置，当水流量增大时，通过所述弹性装置使弧面从第一位置移动到第二位置。

优选的，所述集水容器为锥形容器。

优选的，所述集水容器为矩形容器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井，水流从进水管流出，并进入竖井井体中后，自由射流撞击到迂水缓流系统上，先落入集水容器中进行汇集，当集水容器中水集满以后，积水从集水容器中溢出，并沿着弧面向下缓流，因弧面的下沿面与竖井井体的井壁之间的特定距离，水流下泄至下部孔口处时，会沿井壁形成避免射流，大部分水流沿壁面下泄，从而减少了竖井内自由射流破碎形成的下泄水滴，进而降低竖井从外界的卷吸气体量，减小跌水结构下游管道内的气压，达到改善排污系统的臭气聚积问题和排水系统中的井喷问题的目标。

2、本发明的导流装置中的弧面下沿面与支撑装置弹性连接，当水流量增大时，锥形集水槽内水流增多，因重力作用压迫弹性装置，增大下部孔口尺寸，保证排洪时的泄流通道畅通。

3、本发明结构简单、施工方便，且通过有效计算，为施工提供理论基础，提高施工效率和精度，降低成本，经济高效。

附图说明

图1是本发明的基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井的结构示意图。

图2是本发明建立的弧面截面模型示意图。

图3是本发明的迂水缓流系统的结构示意图。

图4是本发明的迂水缓流系统的俯视图。

附图标记说明：1、竖井井体；2、出流管；3、进水管；4、进气管；5、盖板；6、迂水缓流系统；61、支撑装置；611、第一支架；6111、第一支撑杆；6112、第二支撑杆；612、第二支架；613、第三支架；6131、第三支撑杆；6132、第四支撑杆；6133、第五支撑杆；6134、第六支撑杆；6135、弹性装置；62、导流装置；621、集水容器；622、弧面；7、下部孔口。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。

结合图1-4，本发明实施例提供一种基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井，进入竖井井体内的水流先汇集在迂水缓流系统的集水容器中，再由弧面导流至下部孔口处形成壁面射流排出。

在示例性的实施例中，如图1所示，提供一种基于壁面射流的降低吸入气体量的竖井，包括竖井井体1及出流管2，所述竖井井体1的一侧设有进水管3和进气管4，所述进水管3位于进气管4的下方，所述竖井井体的顶部设有盖板5，竖井井体的底部与所述出流管2连接。

结合图1-4，所述竖井井体1内设有迂水缓流系统6，所述迂水缓流系统6设于进水管3的下方，包括支撑装置61和导流装置62。

所述导流装置62设有集水容器621，所述集水容器621的上沿面设有向下延伸的弧面622，所述弧面622的下沿面与支撑装置61的一端弹性连接，且弧面的下沿面与竖井井体的井壁之间存在下部孔口7，水流下泄通过所述下部孔口7形成壁面射流，支撑装置61的另一端与竖井井体1的井壁连接。

在优选的实施例中，下部孔口的尺寸通过以下方法获得：

以导流装置的弧面为半球体，弧面的上沿面和下沿面均为圆形，且圆心均在球体的中心轴线上，由此，建立弧面的截面模型；

截面模型中，如图2所示，弧面下沿面的直径AB为R，上沿面的直径的两端点(C、E)分别与下沿面的圆心O连接，形成的∠COE的角度为θ。

水流开始从集水容器中，即上沿面处溢出时(对应于截面模型中的C或E点处)，下落的高度为h，垂向流速为v，过水面积为w，流量为Q，则下部孔口的尺寸L＝f(Q,D,θ)，满足公式(1)：

式(1)中，D是竖井井体的直径；R满足公式(2)

这是由于水流全部从下部孔口处流出，如图4所示，下部孔口实际为环形结构，因此，从该孔口处流出的水流流量即满足公式(2)。

式(2)中，D是竖井井体的直径；Q即为进水管的水流流量，当进水管流入的水流量恰好能通过集水容器边缘孔口，形成壁面射流且恰好不淤积时，可认为竖井来水流量恰好等于通过集水容器的流量Q；v满足公式(3)。

竖井中的来水首先集中在迂水缓流系统的集水容器中，再经集水容器边界溢出，沿弧面向下流动。由于迂水缓流系统造成竖井内水流迟滞并使得流速重新分配，故可以假定从锥形集水槽边缘流出的水流其垂向速度近似为0，水流流至弧面边缘(即A、B)处时，垂向落差高度为h，忽略弧面的摩擦力，因此水流下泄至A、B点时的垂向流速v满足公式(3)。

式(3)中，g为重力加速度，其值为9.81m/s

式(4)中：θ为60°～120°。

如图3所示，在优选的实施例中，所述支撑装置61包括第一支架611、第二支架612和第三支架613，所述第一支架611与竖井井体的井壁连接，第二支架612的一端与第一支架611垂直连接，第二支架612的另一端与第三支架613垂直连接，第三支架613的端部与弧面的下沿面弹性连接。

在另一个优选的实施例中，所述第一支架611包括相互垂直相交的第一支撑杆6111和第二支撑杆6112，且交点为各自的中点，第二支架612的一端位于第一支撑杆和第二支撑杆的交点处，从而保证迂水缓流系统的结构稳定。

在另一个优选的实施例中，所述第一支撑杆6111的两端与竖井井体的井壁连接，所述第二支撑杆6112的两端与竖井井体的井壁连接。

在另一个优选的实施例中，所述第三支架613包括相互相交呈米字形的第三支撑杆6131、第四支撑杆6132、第五支撑杆6133和第六支撑杆6134，且交点为各自的中点，第二支架的另一端位于第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆的交点处，保证迂水缓流系统的结构稳定。

应当理解为，第三支架包括但不限于上述结构，第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆以米字结构支撑弧面，弧面的支撑点呈对称结构，可保持整个弧面边缘的受力，使L保持在允许的偏差范围内。

在另一个优选的实施例中，所述第三支撑杆6131、第四支撑杆6132、第五支撑杆6133和第六支撑杆6134的两端均设有弹性装置6135，当水流量增大时，通过所述弹性装置使弧面从第一位置移动到第二位置，增大下部孔口的尺寸，保证排洪时的泄流通道畅通。

应当理解为，弧面622本身就具有一定的弹性，类似于风扇叶片的结构，可以是一个整体，也可以是多个叶片拼接而成。

在其他优选的实施例中，弹性装置6135可选用弹簧，并可根据水流下泄的情况选择合适的规格。

具体过程如下：

首先，根据经验，以及一般竖井中的流量设置，可以认为，竖井中的流量一般为Q＝0-50L/s，那么，

假定当流量Q＝0时，弹簧不受压也不受拉，弹簧形变Δx＝0，弧面与竖井壁面相接；当流量达到最大值Q＝50L/s时，弹簧形变最大，弧面下方距离竖井管壁的距离(下部孔口尺寸)L达到最大，此时取

考虑流量最大时，本发明的迂水缓流系统恰好能使最大水流畅通，即在集水容器外水流不淤积，则集水容器外水压力的水平分力全部作用于受压弹簧上，使弧面下方距离竖井管壁的距离为L，则由水力学静水压强公式可得，水压力的水平分力为：

由胡克定律得公式(6)，Fx＝kΔx，即

在示例性的实施例中，当θ为60°时，

上式中，G--线材的钢性模数，对于不锈钢丝G＝7300；d--线径(mm)；Nc--有效圈数＝总圈数N-2；Dm--中径(mm)＝弹簧外径D

代入数值后经计算可选择弹簧为，线径d＝1.2mm，长度为20mm，外径D

在优选的实施例中，所述集水容器621为锥形容器。

在另一个优选的实施例中，所述集水容器621为矩形容器。

应当理解为，集水容器的形状包括但不限于上述形状，集水容器的作用是收集从进水管跌落的水流，并缓慢下泄至下部孔口处，其形状可根据实际情况进行选择。

为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，但本发明内容不限于此。

原竖井高度9m，竖井顶部密封；进水管直径0.19m，水平长度2m；来水流量Q＝5.6L/s；进气管管径0.10m；竖井内水流落差7.7m，竖井井体直径D＝0.38m，底部通过相同直径的弯管连接水平出流管，出流管直径与竖井井体直径相同。

竖井从外界的吸入气体量可从进气口处，由风速仪直接测得。

迂水缓流系统中，θ＝60°。

因此，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，由Matlab联立方程组，可解得此时R＝0.375m，L＝0.0026m＝0.68％D。

原竖井高度9m，竖井顶部密封；进水管直径0.19m，水平长度2m；来水流量Q＝5.6L/s；进气管管径0.10m；竖井内水流落差7.7m，竖井井体直径D＝0.38m，底部通过相同直径的弯管连接水平出流管，出流管直径与竖井井体直径相同。

迂水缓流系统中，θ＝120°。

因此，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，由Matlab联立方程组，可解得此时R＝0.373m，L＝0.0035m＝0.92％D。

原竖井高度9m，竖井顶部密封；进水管直径0.19m，水平长度2m；来水流量Q＝50L/s；进气管管径0.10m；竖井内水流落差7.7m，竖井井体直径D＝0.38m，底部通过相同直径的弯管连接水平出流管，出流管直径与竖井井体直径相同。

迂水缓流系统中，θ＝60°。

因此，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，由Matlab联立方程组，可解得此时R＝0.326m，L＝0.027m＝7.1％D。

原竖井高度9m，竖井顶部密封；进水管直径0.19m，水平长度2m；来水流量Q＝50L/s；进气管管径0.10m；竖井内水流落差7.7m，竖井井体直径D＝0.38m，底部通过相同直径的弯管连接水平出流管，出流管直径与竖井井体直径相同。

迂水缓流系统中，θ＝120°。

因此，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，由Matlab联立方程组，可解得此时R＝0.304m，L＝0.038m＝10％D。

经申请人前期竖井实验发现，当入流Q＝4.3～33.5L/s时，壁面射流所占比例约为80％～25％，所起到减少吸入气体量的比例约为50％～10％。

因此，在来水流量为设计流量Q＝5.6L/s时，原竖井壁面射流所占比例约为79％，自由射流所占比例约为21％，经计算，竖井从外界的吸气量为74.8L/s。

通过本发明的迂水缓流结构，将竖井中部的自由射流聚集并二次形成壁面射流，且由于集水结构下部孔口距离竖井壁面尺寸较小，从集水结构溢出的水流几乎全部贴着壁面向下流动，考虑到少量水流仍会脱离竖井壁面，这里按照经验保守预估自由射流的50％可以形成二次壁面射流，故壁面射流所占比例为89.5％，自由射流所占比例为10.5％，此时计算得竖井从外界的吸气量为56.7L/s，因此本发明在设计流量下可减少竖井从外界的吸气量至少为24％。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。