管道中滞留气团排放过程的二维数值模拟研究

在极端暴雨条件下，城市雨洪排水管道中常会发生含滞留气团的瞬变流动。针对有压水流作用下滞留气 *通讯作者。

暴雨情况下，城市雨洪排水管道将处于满负荷工作状态，其过程中会混入大量的有压空气。滞留气团的存在可能会引起管道堵塞，降低排水系统的总体容积和排水效率。当滞留气团经过竖井的时候，剧烈的气水相互作用甚至会引发竖井处出现爆发性的“间歇泉”现象，冲翻井盖、污水出井口，其对应的异常水锤极有可能导致管道系统的破坏，对城市的道路安全及公共卫生产生较大的影响[1]。此外，排水管道系统错综复杂的结构，也将使得城市排水管道中的气液两相流问题变得更为复杂。

随着城市内涝现象的愈发严重，越来越多的学者开始关注城市的排水防涝问题。Jing et al. [2]就城市间歇泉问题建立了相应的实验系统，从是否有外部压力、管径比值方面，进行了多组实验，证明了外部压力对间歇泉发生的必要性。证实了小竖管直径和体积气团更容易产生间歇泉喷射现象。Muller et al. [3]采用大尺寸实验装置进行实验，叠加背景流条件，观察到了更细致的喷发情况。刘德有等[4]-[9]、Zhou et al. [4]-[9]、马佳杰等、郭艳惠等[4]-[9]针对封闭管道系统中含滞留气团的瞬变流现象进行了大量的实验及数值模拟研究。

长久以来，针对管道系统中涉及滞留气团的复杂气液两相瞬变流，其计算数学模型大多属于一维模型，存在大量的简化。其三维数值模拟，因其漫长的计算时间，相关的研究较少。一些学者[8] [10] [11]为了减少计算时间，针对该类型的流体运动问题，在简化一些次要的影响因素后，采用二维数值模拟的方法来还原实验过程。

本文参考Zhou et al. [4]-[9]封闭式滞留气团的研究成果， 对开放式的气团排放过程进行二维数值模拟研究，分析有压气体的释放过程及爆炸原因。并将数值模拟结果与Jing et al. [2]的实验结果进行对比，验证所提二维模型的准确性。同时也对比分析了在管道二维建模过程中， “等直径比例”和“等截面比例”两种简化方法对计算结果的影响。

2. 数学模型 2.1. 控制方程 本文采用的是VOF 模型，这是建立在固定的欧拉网格下的界面跟踪办法，适合使用在几种不相融的流体混合流动的情况。通过求解某一相体积分数的连续性方程来完成各相之间的界面的跟踪。该气液两相流数值模型求解采用k-ε 湍流模型方程，气体是可压缩的理想气体，液体为密度998 kg/m3 的水。其基