一种雨污管网仿生减淤设施设计方法

技术领域

本发明涉及雨污管网清洁领域，尤其是涉及雨污管网仿生减淤设施设计方法。

背景技术

城市排水系统作为至关重要的基础设施，其正常运行对城市经济、生态环境和居民生活至关重要。随着时间推移和城市发展，不合理的设计、规划以及后期管理维护不善导致排水系统内悬浮固体颗粒物普遍发生沉降和淤积。在下水道系统中，颗粒物的沉降和堆积会引发水力学和环境方面的问题。排水管道内的淤积物会减少水流的通过面积，增加管道底部的粗糙度，降低了排水效率，增加了过流损失。此外，沉积物表面吸附的污染物可能对水质和水生生物产生负面影响，暴雨后，来自溢流排放的管道污染负荷占受纳水体总负荷的30％～80％。在大多数情况下，下水道的恶化主要源于硫化物引起的混凝土腐蚀。长时间处于缺氧或厌氧条件的沉积物，特别是高浓度有机物，在微生物的作用下可能会产生有毒有害气体，例如H

为解决下水道系统内沉积物沉积的挑战，已经开发了一系列技术。传统的清除沉积物方法主要采用水力和机械手段，包括高频高压冲洗、机械疏浚和人工清洗等。然而，管道机械清淤的复杂程序、低效率和长时间操作维护的特点使得这些物理方法的成本效益和可行性较低。相比之下，冲洗作为一种成本效益高、可行性强的清除下水道沉积物的技术备受认可，为下水道工作人员提供了更安全的操作方式。然而，传统的清淤方案缺乏长期减淤的概念，因此，提出一种长效减淤设施来强化管道冲洗作用，为改善管道淤积控制策略的有效性和成本效益提供了有价值的思路。

发明内容

本发明旨在提供一种雨污管网仿生减淤设施设计方法，通过在管道中安装减淤设施，优化管道中的水力特性，主要包括流速和湍动能，以增强水流对淤积物的拖曳力和升力，进而提升淤积物冲刷和悬浮能力，减少颗粒物沉降和堆积现象，从而从根本上预防管道淤积物的形成，促进管道自清洁，实现雨污管网系统长效减淤的目标，显著降低管道清淤成本。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述雨污管网仿生减淤设施设计方法，包括以下步骤：

A：对管道中加入不同形状的仿生减淤设施，进行数值模拟计算，计算出流速、湍动能等重要的水动力特性；

B：若干组首尾相连的减淤设施，减淤设施涉及不同蜻蜓翅膀形状，整体设计为形状尺寸一致的连续波状结构，顺水流方向安装在雨污管道内。

所述减淤设施的宽度为雨污管道半径0.5D，单块板长度为5D/3。

所述减淤设施中心到所述雨污管道底部之间的垂直距离为安装高度H，安装高度H为0.3D～0.5D，顺水流方向水平安装。

所述减淤设施施工前期需要根据当地雨污管网水力条件，对不同形状、尺寸、安装高度H的减淤设施，进行数值模拟计算，具体方法如下：

1)对雨污管道、若干组首尾相连的减淤设施进行三维建模，并对减淤设施设置不同参数，包括板形状、尺寸、安装高度H；

2)进行实际雨污管道内水力条件监测，基于监测得到的实际雨污管道内水力条件设置边界条件，基于水动力模型计算得到流速、湍动能等重要水力参数；

3)根据计算所得流速、湍动能等重要水力参数大小，参照《室外排水设计标准》的设计流速，评估各减淤设施的综合水动力特性，包括流速和湍动能增大幅度与影响区域等，最终选定减淤设施形状、尺寸、安装高度H。

与现有技术相比，本发明采用了仿生技术，构思巧妙，结构新颖，本发明通过模仿自然界的原理和机制，展现出以下显著优点：本发明受到蜻蜓翅膀表面凹凸结构使得翅膀上下方产生空气流速差的启发，基于蜻蜓翅膀复杂褶皱结构所设计。这种减淤设施不需要施加额外的力，只需水流流经波浪状结构即可被动地诱导强漩涡和剪切流，从源头上抑制雨污管网淤积现象，具有广泛的适用性和发展前景。本发明作为一种从源头上防止管道淤积的设施，适合在排水系统建设初期作为管道的一部分进行安装，特别适用于弱水动力条件下的雨污管网，保证了城市排水系统的正常运行。同时。此种减淤设施对管道过流能力的影响较小，实际设计过程中，设计者只需监测实际污水管道内水力条件，根据雨污管网的水力条件来选择适当的减淤设施形状、尺寸、安装高度H等参数，即可方便实际工程中的设计运用，实现排水系统经济性、稳定性和效率性之间的最佳平衡。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明中具有蜻蜓翅膀典型褶皱特征的减淤设施提取方法演化图；

图2是本发明中减淤设施与雨污管道的安装结构示意图；

图3是本发明中减淤设施的整体结构示意图；

图4是本发明中减淤设施安装高度H示意图；

图5是实施例中减淤设施与雨污管道的安装结构示意图；

图6是实施例中计算所得流速云图；

图7是实施例中计算所得管底附近流速图；

图8是实施例中计算所得湍动能云图；

图9是实施例中计算所得管底附近湍动能图；

其中，1.雨污管道；2.减淤设施。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图5所示，本发明所述雨污管网仿生减淤设施设计方法，现以实际工程中为例作进一步说明:

如图5所示,已知某排水管道直径为0.3m，长度为20m，坡度为0.3％，流量为35L/s，减淤设施顺水流方向水平安装在管道中心，且距离管道入口9m，减淤设施的总长度为3m，宽度为0.15m，安装高度为0.15m。

流速越高，颗粒受到的拖曳力越大，从而有利于更多较大颗粒的移动。与此同时，湍动能的增加会激发更强劲的湍流结构，提高颗粒在水流中的悬浮能力，使其更容易被输送。流速和湍流能量增加的协同效应极大地改善了水流对颗粒施加的作用力，对下水道系统中的颗粒输送和悬浮产生了影响。认识到水动力特性在这些现象中的关键作用，我们旨在对速度和湍流动能进行全面分析。

图6描述了不同形状的减淤设施中心截面上的时均流向速度的云图，与无减淤设施的工况形成对比。在管道中引入不同形状的减淤设施后，管道中的流速分布明显受到影响。具体来说，靠近板上游端的流速略有降低，而板上方凹陷区域的流速较低。浸没在水流中的板块会产生水力阻力，阻碍流体的正常流动。这导致水位上升，板上游端附近的流速有所降低。板上方凹槽中的流速降低是由于持续存在的以涡流为特征的再循环流动模式，导致该区域的水流局部减速和周期性运动。特别值得注意的是，板下和管道底部附近的速度明显增加。速度沿着管道持续增加，在靠近板的末端达到约1.3m/s的局部峰值。减淤设施的波状起伏结构使流体在通过板下时不断受到压缩，导致可用于流动的横截面积减小。因此，水流在通过狭窄通道时被加速。与此同时，主流速度的提高会在靠近管道底部的地方形成剪切层，从而促进向前流动，最终导致靠近管道底部的流速升高。较高的流向速度对悬浮颗粒的输送起到促进作用，而管道底部附近较大的速度梯度则增强了剪切效应，促进了沉积物床面的侵蚀和移动。

当管道底部流速较低时，悬浮颗粒和沉积物容易在管道底部堆积，形成沉积物。因此，有必要关注管道底部的速度，将加入不同形状的减淤设施与未加减淤设施时的管底附近速度进行比较。如图7所示，可以看出，引入各种减淤设施后，板上游的管道底部速度会有一定程度的降低。但值得注意的是，在加入减淤设施5的工况下，速度的降低可以忽略不计，这表明减淤设施5的优越性能。观察到的现象可归因于减淤设施5具有更平滑的起伏结构，与其他板配置相比，减淤设施5的沟槽间距更大，凸起高度更低。很明显，与没有板块的工况相比，加入各种减淤设施都导致其下方管道底部附近的流速明显提高，甚至板块终端下游的流速也有所提高。此外，在减淤设施1和减淤设施2两种工况下，板下有大量面积更大、更深的沟槽，有利于水流分离和再附着，形成涡旋结构。当凹槽中的涡旋与下方主流流向一致时，会对主流产生加速效应。因此，减淤设施1和减淤设施2配置会使管道底部附近的流速出现更明显的上升。

图8显示了不同形状的减淤设施中心截面上时均湍动能的云图，与无减淤设施的工况形成对比。可以得出的结论是，较大的湍动能值主要集中在波浪板的起伏结构附近以及管道底部的近壁区域。波浪板上不规则的表面会引发湍流，尤其是在凹槽区域，因为该区域会发生水流分离，从而形成复杂的三维涡旋结构，这对维持持续的湍流至关重要。主要归因于速度梯度和雷诺应力较大，而这又可归因于板上方凹槽中长期持续的再循环流动模式，以及板下方凹槽中存在强烈、连续的涡流。值得注意的是，管道底部附近的湍流动能也很高，这有利于湍流爆发的发生，从而增加了作用于沉积物颗粒的升力。在固体边界附近，流动受到巨大的粘滞力和摩擦力的影响，以及在粘滞子层内发生的周期性猝发事件，导致速度梯度和雷诺应力增加。这就是在管底近壁区域观察到较高湍动能的原因。

为了系统地观察各种减淤设施引起的管底附近湍动能的变化，并找出在提高湍动能方面表现优异的设施，我们沿管道近壁区域提取了湍动能。图9展示了湍动能在管道底部附近的中心平面上的分布情况。如图9所示，管道底部附近的湍动能值从波浪板的前端开始向下游持续增加，直到距离末端一定距离内达到峰值，这表明这些减淤设施对增强管道底部附近的整体湍流强度有积极影响。除了减淤设施5工况，波浪板前端附近管底的湍动能值会略有下降，这说明减淤设施5的湍动能提升性能更优越。

综上所述，根据水动力模型计算所得流速、湍动能等重要水力参数大小，参照《室外排水设计标准》的设计流速0.6m/s，评估各减淤设施的综合水动力特性，包括流速和湍动能增大幅度与影响区域等，在板宽度与安装高度均为管道直径0.5D条件下，最终选定减淤设施5为较优方案。

工作原理：本发明受到蜻蜓翅膀表面凹凸结构使得翅膀上下方产生空气流速差的启发，基于蜻蜓翅膀复杂褶皱结构所设计。通过在管道中局部安装各形状的减淤设施而形成连续波状起伏地形诱发强漩涡和剪切流。水流经过减淤设施2时，由于其特殊的褶皱结构，使减淤设施2下方的流速增大，流速梯度发生变化，同时湍动能也明显增大，增大对周围水体的扰动，较高的速度给颗粒带来更大的拖曳力，促进较大颗粒的启动。此外，湍流动能的增加刺激了更剧烈的湍流结构，增加了颗粒在流动中悬浮和更容易运输的能力。速度和湍流能量增大的协同效应显著地有助于提高水流对颗粒施加的力，这对污水系统中的颗粒运输和悬浮有积极影响。通过在管道中安装减淤设施而增大局部流速、湍动能，减少了颗粒物沉降、堆积现象，从根本上阻断了管道淤积物的产生，达到长效减淤的最终目标。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。