基于六面体网格和VOF的城市管道井喷瞬态模拟
关键词：间歇泉，瞬态，VOF，Fluent，六面体网格
随着城镇化进程的快速推进，城市下垫面的透水性能不断降低，内河水面率不足，调蓄功能锐减，加之全球气候变化导致强 暴雨等极端天气频发，城市排水系统排涝能力严重不足。城市深层调蓄隧道系统能有效增加雨水调蓄能力，防止内涝，且由于隧道埋深较大，可充分利用城市深层地下空间，避免大量征地和拆 迁，在日本东京、美国芝加哥及加拿大埃德蒙顿等城市已经应用多年。近年来，随着国内对城市防洪问题的日益重视，广州、上海、武汉和成都等地已率先开始了深层调蓄隧道工程的规划与建设。竖井(入流井、检修井和通气孔等)和调蓄隧道是地下调蓄隧道系统中的两个关键过流建筑物。受城市地下管网通气设施布置条件限制，在调蓄隧道充水尤其是快速充水时，竖井内的水流极易封堵隧道内尚未排出的气体，从而形成滞留气团。在水流冲击、压力波动和表面张力等因素的综合作用下，滞留气团在释放过程中，系统内可能产生水气混合物从竖井内涌出地面的“井喷”(geyser)现象。
图1 国外井喷现象
接下来尝试模拟一篇SCI论文中间歇泉现象，如图2所示，初始气团在水平管道左侧，水平管道两侧为压力边界条件，上方出口为压力出口。
图2 计算说明 |
网格处理采用Fluent meshing绘制六面体网格，简单快捷，对边界层进行了处理，网格数量可控，网格质量在0.4以上。
|
|
图3 六面体网格 |
模拟计算在Fluent中完成，两相流模型采用VOF进行处理，能够较好的模拟自由液面的形变。湍流模型采用RNG k-epsilon湍流模型。该模拟中相关设置如图4所示，该问题的主要复杂点在于网格的处理和Fluent中设置和参数的选择。例如边界层处理以及六面体网格采用合适的算法，fluent中算法参数的选择，合理的边界条件设置。
|
|
图4 网格和Fluent相关设置 | |
如图5所示，初始状态采用patch功能进行处理，可以看出，初始状态水相和液相分明。模拟过程中，气泡的运动可见。
可以看出，采用VOF处理水汽两相流具有良好的优势，能够模拟出界面的变化，运动。同时采用Fluent meshing绘制网格具有简单快捷的优点。
|
图5 模拟初始状态 |
|
图6 模拟过程状态 |
