本發(fā)明涉及市政工程排污管道，具體而言涉及一種獲取具有空氣循環(huán)系統(tǒng)的豎井中循環(huán)氣流臨界位置的方法。

背景技術(shù)：

1、豎井作為市政排水系統(tǒng)及各種水利水電工程領(lǐng)域中使用最廣泛的一項(xiàng)水工建筑物，其作用主要是將高處淺層排水管網(wǎng)匯集的水流運(yùn)輸?shù)降吞幍纳顚优潘芫W(wǎng)中。水流在豎井輸送的整個(gè)過(guò)程中自由下落，并下降到一定高度后發(fā)生由連續(xù)片狀水流逐漸碰撞、破碎和分解的過(guò)程，當(dāng)越靠近豎井底部時(shí)水流幾乎呈現(xiàn)水滴狀，增大了豎井中水氣兩相的接觸面積，從而拖拽更多氣體聚集在下游。這就很可能導(dǎo)致豎井大量吸氣，使其氣壓梯度過(guò)大，影響排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2、豎井氣流循環(huán)系統(tǒng)是有效的解決豎井大量吸氣的物理途徑之一。公開(kāi)號(hào)為cn108104242a的中國(guó)專利公開(kāi)了一種降低吸入氣體量的直流式跌水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在豎井入流管正對(duì)面的中央?yún)^(qū)域設(shè)置了一個(gè)距豎井底部與頂部都留有孔口的隔板，隔板將豎井分為了過(guò)水側(cè)與不過(guò)水側(cè)。水流在豎井自由落體過(guò)程中，將過(guò)水側(cè)的氣體擠壓到下游管道，使得下游管道的氣體聚集；由于隔板距豎井底部留有孔口，在壓差的作用下聚集的氣體會(huì)流向不過(guò)水側(cè)，再通過(guò)隔板與豎井頂部的孔口流向過(guò)水側(cè)，使得豎井內(nèi)部分氣體發(fā)生循環(huán)，減小了豎井卷吸外界氣體的程度。但上述豎井結(jié)構(gòu)頂部孔口的具體位置只給出了單一的定性分析，并沒(méi)有明確的算法指導(dǎo)，增加了結(jié)構(gòu)布置時(shí)工程量，若布置不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)豎井內(nèi)氣流無(wú)法循環(huán)的現(xiàn)象。

3、公開(kāi)號(hào)為cn113901635a的中國(guó)專利公開(kāi)了一種用于計(jì)算直流式豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)循環(huán)氣流流通路徑的方法，該方法為在某幾個(gè)特定流量下，分別計(jì)算濕井與氣井各段氣壓，當(dāng)兩側(cè)氣壓相等時(shí)，求出臨界位置，但是該方法只適合在豎井內(nèi)設(shè)置隔板形成的氣流內(nèi)循環(huán)模式。公開(kāi)號(hào)為cn113962106a的中國(guó)專利公開(kāi)了一種豎井及獲得豎井中水平管位置的方法，該方法是對(duì)豎井外部的循環(huán)氣流系統(tǒng)中的臨界位置進(jìn)行計(jì)算分析，這種方法只適合在豎井外部的循環(huán)模式。

4、雖然上述兩種計(jì)算方法均可以確定豎井氣流循環(huán)系統(tǒng)的臨界位置，但模式單一，需針對(duì)各自的模型計(jì)算對(duì)應(yīng)的循環(huán)模式，并且計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有提出系統(tǒng)的回路理論計(jì)算模型和預(yù)估方法，無(wú)法指出豎井空氣循環(huán)系統(tǒng)中氣流循環(huán)回路接口臨界位置的影響因素，沒(méi)有為實(shí)際工程提供更為直觀的指導(dǎo)，對(duì)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)過(guò)于局限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種獲取具有空氣循環(huán)系統(tǒng)的豎井中循環(huán)氣流臨界位置的方法，該方法基于回路理論法，可適用于豎井不同的氣流循環(huán)系統(tǒng)，從而擺脫模型單一的限制，并且通過(guò)該方法可得到豎井空氣循環(huán)系統(tǒng)中氣流循環(huán)回路接口臨界位置的影響因素，對(duì)豎井設(shè)置氣流循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)和有效的工程應(yīng)用價(jià)值。

2、根據(jù)本發(fā)明的目的，提供一種獲取具有空氣循環(huán)系統(tǒng)的豎井中循環(huán)氣流臨界位置的方法，包括：

3、建立計(jì)算模型，所述模型如下：

4、在頂端密封的豎井中心軸處設(shè)置隔板，所述豎井的底端通過(guò)彎管與出流管連接，從而使豎井與大氣連通，所述隔板的頂端與豎井的頂端連接，隔板的底端與豎井的底端齊平，所述隔板將豎井分隔成濕井和氣井；進(jìn)氣管和進(jìn)水管與所述濕井連接，所述進(jìn)氣管位于進(jìn)水管的上方；

5、所述隔板上設(shè)有開(kāi)口，作為氣流循環(huán)回路接口，假設(shè)氣流循環(huán)回路接口的位置為使?jié)窬蜌饩g的氣體形成流通的臨界位置，定義從氣流循環(huán)回路接口到隔板底部可以形成循環(huán)氣流的一段為濕井底部；

6、根據(jù)建立的計(jì)算模型，按照第一方法和/或第二方法獲得氣流循環(huán)回路接口的位置，即循環(huán)氣流的臨界位置；

7、所述第一方法包括：

8、定義水舌入流口處為基點(diǎn)，將基點(diǎn)以下的濕井，從上至下依次分為第一段、第二段和出流管處；以及定義從隔板的底端向下延伸直至彎管段的部位為終點(diǎn)；

9、獲得進(jìn)氣管處、第一段、第二段，以及出流管處的氣壓方程，同時(shí)建立循環(huán)回路方程，并建立豎井內(nèi)氣體流量方程，通過(guò)聯(lián)立方程獲得氣流循環(huán)回路接口的位置；其中，所述第一段和第二段的連接處與基點(diǎn)的距離為2.64m，第一段為從基點(diǎn)往下依次分布的水舌阻隔段和氣壓恒定段；

10、所述第二方法包括：

11、定義水舌入流口處為基點(diǎn)，將基點(diǎn)以下的濕井，從上至下依次分為第三段、第四段和出流管處；以及定義從隔板的底端向下延伸直至彎管段的部位為終點(diǎn)；

12、獲得進(jìn)氣管處、第三段、第四段，以及出流管處的氣壓方程，同時(shí)建立循環(huán)回路方程，并建立豎井內(nèi)氣體流量方程，通過(guò)聯(lián)立方程獲得氣流循環(huán)回路接口的位置；其中，所述第三段和第四段連接處與基點(diǎn)的距離為5m，第三段為非線性增長(zhǎng)段。

13、作為可選的實(shí)施方式，所述第一方法的具體計(jì)算步驟包括：

14、s11、建立方程

15、進(jìn)氣管處的氣壓方程如式(1)：

16、

17、式中，pa為進(jìn)氣管外的氣壓，為大氣壓，取0pa；p0為進(jìn)氣管內(nèi)的氣壓，pa；ki為外界氣體流經(jīng)進(jìn)氣管時(shí)的損失系數(shù)；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度，kg/m3；vai為進(jìn)氣管中氣體的平均流速，m/s；

18、第一段分為水舌阻隔段和氣壓恒定段，氣壓方程分別如式(2)的和式(3)：

19、

20、式中，無(wú)量綱的來(lái)水流量qw為來(lái)水量，l/s，g為重力加速度，m/s2；ds為豎井濕井直徑，m；p1為濕井中基點(diǎn)以下0.64m處的氣壓，pa；va為濕井中的平均氣體流速，m/s；a、b為與豎井結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)；

21、p1＝p3(3)

22、式中，p1為濕井中基點(diǎn)以下0.64m處的氣壓，pa；p3為濕井中基點(diǎn)以下2.64m處的氣壓，pa；

23、第二段的氣壓方程如式(4)：

24、

25、式中，p為第二段中的氣壓，pa；z為濕井內(nèi)跌落高度大于2.64m的某一高度，m；qw為來(lái)流量，l/s；ds為濕井的直徑，m；d為水滴的直徑；cd為水滴拖拽氣體的系數(shù)；v為水滴下落的平均速度；va為濕井中的平均氣體流速，m/s；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度；

26、出流管處的氣壓方程如式(5)：

27、p8＝0(5)

28、式中，p8表示出流管處的氣壓，pa；

29、循環(huán)回路方程如式(6)：

30、

31、式中，pl為濕井側(cè)氣流循環(huán)回路接口處的氣壓，pa；l為循環(huán)氣流的臨界位置至終點(diǎn)的高度，m；hc為隔板底部到終點(diǎn)的跌落高度，m；

32、plloss1＝kbρa(bǔ)(vat)2/2，為氣體從濕井底部到氣井時(shí)的局部壓力損失；其中，kb為氣體經(jīng)過(guò)隔板底部的局部損失系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可取20；vat為濕井底部氣體的平均流速，m/s；

33、pfloss＝λ(l-hc)ρa(bǔ)(vac)2/2dc，為氣井中的沿程壓力損失；其中，λ為氣體在氣井中的沿程損失系數(shù)；vac為氣井中循環(huán)氣體的平均流速，m/s；dc為氣井的直徑，m；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度，kg/m3；hc為隔板底部到終點(diǎn)的跌落高度，m；l為循環(huán)氣流的臨界位置至終點(diǎn)的高度，m；

34、plloss2＝koρa(bǔ)(vac)2/2，為氣體通過(guò)氣流循環(huán)回路接口從氣井循環(huán)到濕井時(shí)的局部壓力損失；其中，ko＝1.5，為氣體由氣井經(jīng)過(guò)氣流循環(huán)回路接口流向濕井的局部損失系數(shù)；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度，kg/m3；vac為氣井中循環(huán)氣體的平均流速，m/s；

35、濕井底部氣體流量方程如式(7)：

36、vaas+vacac＝vatas(7)

37、式中，as和ac分別是濕井和氣井的橫截面積，m2；va，vac，vat分別是第一段、氣井和濕井底部的氣體流速，m/s；

38、豎井內(nèi)的循環(huán)氣流量和豎井從外界卷吸的氣體量之間的關(guān)系如式(8)：

39、

40、式中，qac＝vacac，為氣井中的循環(huán)空氣流量，l；qai＝vaiai，為氣流循環(huán)回路接口處的夾帶空氣流量，l；vac和vai分別表示氣井和氣流循環(huán)回路接口處的氣體流速，m/s；ac和ai分別表示氣井和氣流循環(huán)回路接口的橫截面積，m2；

41、s12、將步驟s11中的式(1)～(8)聯(lián)立，得到氣流循環(huán)回路接口的位置l的值，即循環(huán)氣流的臨界位置。

42、作為可選的實(shí)施方式，所述第二方法的具體計(jì)算步驟包括：

43、s21、建立方程

44、進(jìn)氣管處的氣壓方程如式(1)：

45、

46、式中，pa為進(jìn)氣管外的氣壓，為大氣壓，取0pa；p0為進(jìn)氣管內(nèi)的氣壓，pa；ki為外界氣體流經(jīng)進(jìn)氣管時(shí)的損失系數(shù)；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度，kg/m3；vai為進(jìn)氣管中氣體的平均流速，m/s；

47、第三段為非線性增長(zhǎng)段，氣壓方程分別如式(9)：

48、(p5-p1)/(z5-z1)＝0.5dp/dz???????(9)

49、式中，p5為濕井中基點(diǎn)以下z5＝5m處的氣壓，pa；p1為濕井中基點(diǎn)以下z1＝0.64m處的氣壓，pa；dp/dz為第四段線性增長(zhǎng)的氣壓梯度值；

50、第四段的氣壓方程如式(4)：

51、

52、式中，p為第四段中的氣壓，pa；z為濕井內(nèi)跌落高度大于2.64m的某一高度，m；qw為來(lái)流量，l/s；ds為濕井的直徑，m；d為水滴的直徑；cd為水滴拖拽氣體的系數(shù)；v為水滴下落的平均速度；va為第三段的平均氣體流速，m/s；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度，kg/m3；

53、出流管處的氣壓方程如式(5)：

54、p8＝0(5)

55、式中，p8表示出流管處的氣壓，pa；

56、循環(huán)回路方程如式(6)：

57、

58、式中，pl為濕井側(cè)開(kāi)口處的氣壓，pa；l為循環(huán)氣流的臨界位置至終點(diǎn)的高度，m；hc為隔板底部到終點(diǎn)的跌落高度，m；

59、plloss1＝kbρa(bǔ)(vat)2/2，為氣體從濕井底部到氣井時(shí)的局部壓力損失；其中，kb為氣體經(jīng)過(guò)隔板底部的局部損失系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可取20；vat為濕井底部氣體的平均流速，m/s；

60、pfloss＝λ(l-hc)ρa(bǔ)(vac)2/2dc，為氣井中的沿程壓力損失；其中，λ為氣體在氣井中的沿程損失系數(shù)；vac為氣井中循環(huán)氣體的平均流速，m/s；dc為氣井的直徑，m；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度；hc為隔板底部到終點(diǎn)的跌落高度，m；l為循環(huán)氣流的臨界位置至終點(diǎn)的高度，m；

61、plloss2＝koρa(bǔ)(vac)2/2，為氣體通過(guò)氣流循環(huán)回路接口從氣井循環(huán)到濕井時(shí)的局部壓力損失；其中，ko＝1.5為氣體由氣井經(jīng)過(guò)氣流循環(huán)回路接口流向濕井的局部損失系數(shù)；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)大氣在室溫下的空氣密度；vac為氣井中循環(huán)氣體的平均流速，m/s；

62、濕井底部氣體流量方程如式(7)：

63、vaas+vacac＝vatas(7)

64、式中，as和ac分別是濕井和氣井的橫截面積，m2；va，vac，vat分別是第三段、氣井和濕井底部的氣體流速，m/s；

65、豎井內(nèi)的循環(huán)氣流量和豎井從外界卷吸的氣體量之間的關(guān)系如式(8)：

66、

67、式中，qac＝vacac，為氣井中的循環(huán)空氣流量，l；qai＝vaiai，為氣流循環(huán)回路接口處的夾帶空氣流量，l；vac和vai分別表示氣井和氣流循環(huán)回路接口處的氣體流速，m/s；ac和ai分別表示氣井和氣流循環(huán)回路接口的橫截面積，m2；

68、s22、將步驟s21中的式(1)、(4)～(9)聯(lián)立，得到氣流循環(huán)回路接口的位置l的值，即循環(huán)氣流的臨界位置。

69、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)入流量恒定時(shí)，所述循環(huán)氣流的臨界位置的影響因子為豎井直徑、氣井直徑、濕井直徑，以及濕井與氣井的截面直徑尺寸之比。

70、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)入流量恒定時(shí)，循環(huán)氣流的臨界位置隨豎井直徑的增大而增大。

71、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)入流量及濕井直徑恒定時(shí)，循環(huán)氣流的臨界位置隨氣井直徑的增大先降低后保持不變。

72、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)入流量及氣井直徑恒定時(shí)，循環(huán)氣流的臨界位置隨濕井直徑的增大先降低后保持不變。

73、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)入流量及濕井直徑恒定時(shí)，循環(huán)氣流的臨界位置隨濕井與氣井的截面直徑尺寸比值的增大先降低后增加。

74、作為可選的實(shí)施方式，所述循環(huán)氣流的臨界位置與影響因子的關(guān)系如式(10)：

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

76、式中，l*＝l/h，為水平管臨界位置l的無(wú)量綱量；l為循環(huán)氣流的臨界位置至終點(diǎn)的高度，m；h為豎井跌落高度，m；ds*為豎井濕井直徑ds的無(wú)量綱量，取ds*＝ds/dm；dm為理論計(jì)算模型的豎井直徑，取0.38m；α＝ds/dc，為濕井與氣井的截面直徑尺寸之比。

77、作為可選的實(shí)施方式，當(dāng)氣流循環(huán)回路接口位于臨界位置至豎井頂端的任一位置時(shí)，均可發(fā)生空氣循環(huán)。

78、由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明提出的獲取具有空氣循環(huán)系統(tǒng)的豎井中循環(huán)氣流臨界位置的方法，在建立理論計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析循環(huán)回路中豎井的氣體先在濕井中由于水流的泵效應(yīng)在下游被加壓，后因兩井間的氣壓差從濕井流向氣井，并在氣井中由于沿程損失被降壓，最后經(jīng)過(guò)水平管流向濕井完成一次空氣循環(huán)過(guò)程，當(dāng)氣體流經(jīng)整個(gè)回路的壓差為0時(shí)，系統(tǒng)恰能形成空氣循環(huán)過(guò)程，從而建立回路理論方程∫l?dp＝0，獲得循環(huán)氣流的臨界位置；

79、本發(fā)明的方法基于回路理論法，可適用于豎井不同的氣流循環(huán)系統(tǒng)，從而擺脫模型單一的限制，并且通過(guò)該方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行主成分分析及多元線性擬合分析可得到豎井空氣循環(huán)系統(tǒng)中氣流循環(huán)回路接口臨界位置與來(lái)流量、豎井直徑這兩個(gè)主要影響因子的關(guān)系，同時(shí)本發(fā)明的方法可通過(guò)兩種計(jì)算模式相互驗(yàn)證，提高準(zhǔn)確度，由此對(duì)豎井空氣循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供明確的算法指導(dǎo)，進(jìn)而提高施工效率和精度、降低使用成本。