获取具有空气循环系统的竖井中循环气流临界位置的方法

本发明涉及市政工程排污管道，具体而言涉及一种获取具有空气循环系统的竖井中循环气流临界位置的方法。

背景技术：

1、竖井作为市政排水系统及各种水利水电工程领域中使用最广泛的一项水工建筑物，其作用主要是将高处浅层排水管网汇集的水流运输到低处的深层排水管网中。水流在竖井输送的整个过程中自由下落，并下降到一定高度后发生由连续片状水流逐渐碰撞、破碎和分解的过程，当越靠近竖井底部时水流几乎呈现水滴状，增大了竖井中水气两相的接触面积，从而拖拽更多气体聚集在下游。这就很可能导致竖井大量吸气，使其气压梯度过大，影响排水系统安全稳定运行。

2、竖井气流循环系统是有效的解决竖井大量吸气的物理途径之一。公开号为cn108104242a的中国专利公开了一种降低吸入气体量的直流式跌水结构，该结构是在竖井入流管正对面的中央区域设置了一个距竖井底部与顶部都留有孔口的隔板，隔板将竖井分为了过水侧与不过水侧。水流在竖井自由落体过程中，将过水侧的气体挤压到下游管道，使得下游管道的气体聚集；由于隔板距竖井底部留有孔口，在压差的作用下聚集的气体会流向不过水侧，再通过隔板与竖井顶部的孔口流向过水侧，使得竖井内部分气体发生循环，减小了竖井卷吸外界气体的程度。但上述竖井结构顶部孔口的具体位置只给出了单一的定性分析，并没有明确的算法指导，增加了结构布置时工程量，若布置不当甚至会出现竖井内气流无法循环的现象。

3、公开号为cn113901635a的中国专利公开了一种用于计算直流式竖井结构内循环气流流通路径的方法，该方法为在某几个特定流量下，分别计算湿井与气井各段气压，当两侧气压相等时，求出临界位置，但是该方法只适合在竖井内设置隔板形成的气流内循环模式。公开号为cn113962106a的中国专利公开了一种竖井及获得竖井中水平管位置的方法，该方法是对竖井外部的循环气流系统中的临界位置进行计算分析，这种方法只适合在竖井外部的循环模式。

4、虽然上述两种计算方法均可以确定竖井气流循环系统的临界位置，但模式单一，需针对各自的模型计算对应的循环模式，并且计算过程中没有提出系统的回路理论计算模型和预估方法，无法指出竖井空气循环系统中气流循环回路接口临界位置的影响因素，没有为实际工程提供更为直观的指导，对整体系统结构设计的理论指导过于局限。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种获取具有空气循环系统的竖井中循环气流临界位置的方法，该方法基于回路理论法，可适用于竖井不同的气流循环系统，从而摆脱模型单一的限制，并且通过该方法可得到竖井空气循环系统中气流循环回路接口临界位置的影响因素，对竖井设置气流循环系统的设计和实施提供科学依据和有效的工程应用价值。

2、根据本发明的目的，提供一种获取具有空气循环系统的竖井中循环气流临界位置的方法，包括：

3、建立计算模型，所述模型如下：

4、在顶端密封的竖井中心轴处设置隔板，所述竖井的底端通过弯管与出流管连接，从而使竖井与大气连通，所述隔板的顶端与竖井的顶端连接，隔板的底端与竖井的底端齐平，所述隔板将竖井分隔成湿井和气井；进气管和进水管与所述湿井连接，所述进气管位于进水管的上方；

5、所述隔板上设有开口，作为气流循环回路接口，假设气流循环回路接口的位置为使湿井和气井之间的气体形成流通的临界位置，定义从气流循环回路接口到隔板底部可以形成循环气流的一段为湿井底部；

6、根据建立的计算模型，按照第一方法和/或第二方法获得气流循环回路接口的位置，即循环气流的临界位置；

7、所述第一方法包括：

8、定义水舌入流口处为基点，将基点以下的湿井，从上至下依次分为第一段、第二段和出流管处；以及定义从隔板的底端向下延伸直至弯管段的部位为终点；

9、获得进气管处、第一段、第二段，以及出流管处的气压方程，同时建立循环回路方程，并建立竖井内气体流量方程，通过联立方程获得气流循环回路接口的位置；其中，所述第一段和第二段的连接处与基点的距离为2.64m，第一段为从基点往下依次分布的水舌阻隔段和气压恒定段；

10、所述第二方法包括：

11、定义水舌入流口处为基点，将基点以下的湿井，从上至下依次分为第三段、第四段和出流管处；以及定义从隔板的底端向下延伸直至弯管段的部位为终点；

12、获得进气管处、第三段、第四段，以及出流管处的气压方程，同时建立循环回路方程，并建立竖井内气体流量方程，通过联立方程获得气流循环回路接口的位置；其中，所述第三段和第四段连接处与基点的距离为5m，第三段为非线性增长段。

13、作为可选的实施方式，所述第一方法的具体计算步骤包括：

14、s11、建立方程

15、进气管处的气压方程如式(1)：

16、

17、式中，pa为进气管外的气压，为大气压，取0pa；p0为进气管内的气压，pa；ki为外界气体流经进气管时的损失系数；ρa为标准大气在室温下的空气密度，kg/m3；vai为进气管中气体的平均流速，m/s；

18、第一段分为水舌阻隔段和气压恒定段，气压方程分别如式(2)的和式(3)：

19、

20、式中，无量纲的来水流量qw为来水量，l/s，g为重力加速度，m/s2；ds为竖井湿井直径，m；p1为湿井中基点以下0.64m处的气压，pa；va为湿井中的平均气体流速，m/s；a、b为与竖井结构相关的系数；

21、p1＝p3(3)

22、式中，p1为湿井中基点以下0.64m处的气压，pa；p3为湿井中基点以下2.64m处的气压，pa；

23、第二段的气压方程如式(4)：

24、

25、式中，p为第二段中的气压，pa；z为湿井内跌落高度大于2.64m的某一高度，m；qw为来流量，l/s；ds为湿井的直径，m；d为水滴的直径；cd为水滴拖拽气体的系数；v为水滴下落的平均速度；va为湿井中的平均气体流速，m/s；ρa为标准大气在室温下的空气密度；

26、出流管处的气压方程如式(5)：

27、p8＝0(5)

28、式中，p8表示出流管处的气压，pa；

29、循环回路方程如式(6)：

30、

31、式中，pl为湿井侧气流循环回路接口处的气压，pa；l为循环气流的临界位置至终点的高度，m；hc为隔板底部到终点的跌落高度，m；

32、plloss1＝kbρa(vat)2/2，为气体从湿井底部到气井时的局部压力损失；其中，kb为气体经过隔板底部的局部损失系数，经实验测定可取20；vat为湿井底部气体的平均流速，m/s；

33、pfloss＝λ(l-hc)ρa(vac)2/2dc，为气井中的沿程压力损失；其中，λ为气体在气井中的沿程损失系数；vac为气井中循环气体的平均流速，m/s；dc为气井的直径，m；ρa为标准大气在室温下的空气密度，kg/m3；hc为隔板底部到终点的跌落高度，m；l为循环气流的临界位置至终点的高度，m；

34、plloss2＝koρa(vac)2/2，为气体通过气流循环回路接口从气井循环到湿井时的局部压力损失；其中，ko＝1.5，为气体由气井经过气流循环回路接口流向湿井的局部损失系数；ρa为标准大气在室温下的空气密度，kg/m3；vac为气井中循环气体的平均流速，m/s；

35、湿井底部气体流量方程如式(7)：

36、vaas+vacac＝vatas(7)

37、式中，as和ac分别是湿井和气井的横截面积，m2；va，vac，vat分别是第一段、气井和湿井底部的气体流速，m/s；

38、竖井内的循环气流量和竖井从外界卷吸的气体量之间的关系如式(8)：

39、

40、式中，qac＝vacac，为气井中的循环空气流量，l；qai＝vaiai，为气流循环回路接口处的夹带空气流量，l；vac和vai分别表示气井和气流循环回路接口处的气体流速，m/s；ac和ai分别表示气井和气流循环回路接口的横截面积，m2；

41、s12、将步骤s11中的式(1)～(8)联立，得到气流循环回路接口的位置l的值，即循环气流的临界位置。

42、作为可选的实施方式，所述第二方法的具体计算步骤包括：

43、s21、建立方程

44、进气管处的气压方程如式(1)：

45、

46、式中，pa为进气管外的气压，为大气压，取0pa；p0为进气管内的气压，pa；ki为外界气体流经进气管时的损失系数；ρa为标准大气在室温下的空气密度，kg/m3；vai为进气管中气体的平均流速，m/s；

47、第三段为非线性增长段，气压方程分别如式(9)：

48、(p5-p1)/(z5-z1)＝0.5dp/dz       (9)

49、式中，p5为湿井中基点以下z5＝5m处的气压，pa；p1为湿井中基点以下z1＝0.64m处的气压，pa；dp/dz为第四段线性增长的气压梯度值；

50、第四段的气压方程如式(4)：

51、

52、式中，p为第四段中的气压，pa；z为湿井内跌落高度大于2.64m的某一高度，m；qw为来流量，l/s；ds为湿井的直径，m；d为水滴的直径；cd为水滴拖拽气体的系数；v为水滴下落的平均速度；va为第三段的平均气体流速，m/s；ρa为标准大气在室温下的空气密度，kg/m3；

53、出流管处的气压方程如式(5)：

54、p8＝0(5)

55、式中，p8表示出流管处的气压，pa；

56、循环回路方程如式(6)：

57、

58、式中，pl为湿井侧开口处的气压，pa；l为循环气流的临界位置至终点的高度，m；hc为隔板底部到终点的跌落高度，m；

59、plloss1＝kbρa(vat)2/2，为气体从湿井底部到气井时的局部压力损失；其中，kb为气体经过隔板底部的局部损失系数，经实验测定可取20；vat为湿井底部气体的平均流速，m/s；

60、pfloss＝λ(l-hc)ρa(vac)2/2dc，为气井中的沿程压力损失；其中，λ为气体在气井中的沿程损失系数；vac为气井中循环气体的平均流速，m/s；dc为气井的直径，m；ρa为标准大气在室温下的空气密度；hc为隔板底部到终点的跌落高度，m；l为循环气流的临界位置至终点的高度，m；

61、plloss2＝koρa(vac)2/2，为气体通过气流循环回路接口从气井循环到湿井时的局部压力损失；其中，ko＝1.5为气体由气井经过气流循环回路接口流向湿井的局部损失系数；ρa为标准大气在室温下的空气密度；ρa为标准大气在室温下的空气密度；vac为气井中循环气体的平均流速，m/s；

62、湿井底部气体流量方程如式(7)：

63、vaas+vacac＝vatas(7)

64、式中，as和ac分别是湿井和气井的横截面积，m2；va，vac，vat分别是第三段、气井和湿井底部的气体流速，m/s；

65、竖井内的循环气流量和竖井从外界卷吸的气体量之间的关系如式(8)：

66、

67、式中，qac＝vacac，为气井中的循环空气流量，l；qai＝vaiai，为气流循环回路接口处的夹带空气流量，l；vac和vai分别表示气井和气流循环回路接口处的气体流速，m/s；ac和ai分别表示气井和气流循环回路接口的横截面积，m2；

68、s22、将步骤s21中的式(1)、(4)～(9)联立，得到气流循环回路接口的位置l的值，即循环气流的临界位置。

69、作为可选的实施方式，当入流量恒定时，所述循环气流的临界位置的影响因子为竖井直径、气井直径、湿井直径，以及湿井与气井的截面直径尺寸之比。

70、作为可选的实施方式，当入流量恒定时，循环气流的临界位置随竖井直径的增大而增大。

71、作为可选的实施方式，当入流量及湿井直径恒定时，循环气流的临界位置随气井直径的增大先降低后保持不变。

72、作为可选的实施方式，当入流量及气井直径恒定时，循环气流的临界位置随湿井直径的增大先降低后保持不变。

73、作为可选的实施方式，当入流量及湿井直径恒定时，循环气流的临界位置随湿井与气井的截面直径尺寸比值的增大先降低后增加。

74、作为可选的实施方式，所述循环气流的临界位置与影响因子的关系如式(10)：

75、l*＝0.54-0.21ds*-0.057α，r2＝0.80       (10)

76、式中，l*＝l/h，为水平管临界位置l的无量纲量；l为循环气流的临界位置至终点的高度，m；h为竖井跌落高度，m；ds*为竖井湿井直径ds的无量纲量，取ds*＝ds/dm；dm为理论计算模型的竖井直径，取0.38m；α＝ds/dc，为湿井与气井的截面直径尺寸之比。

77、作为可选的实施方式，当气流循环回路接口位于临界位置至竖井顶端的任一位置时，均可发生空气循环。

78、由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的获取具有空气循环系统的竖井中循环气流临界位置的方法，在建立理论计算模型的基础上，通过分析循环回路中竖井的气体先在湿井中由于水流的泵效应在下游被加压，后因两井间的气压差从湿井流向气井，并在气井中由于沿程损失被降压，最后经过水平管流向湿井完成一次空气循环过程，当气体流经整个回路的压差为0时，系统恰能形成空气循环过程，从而建立回路理论方程∫l dp＝0，获得循环气流的临界位置；

79、本发明的方法基于回路理论法，可适用于竖井不同的气流循环系统，从而摆脱模型单一的限制，并且通过该方法的计算结果进行主成分分析及多元线性拟合分析可得到竖井空气循环系统中气流循环回路接口临界位置与来流量、竖井直径这两个主要影响因子的关系，同时本发明的方法可通过两种计算模式相互验证，提高准确度，由此对竖井空气循环系统的结构设计提供明确的算法指导，进而提高施工效率和精度、降低使用成本。