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印第安纳波利斯雨水排水系统

AECOM在水利隧道上安装了一个组合式下水道溢流通道连接器

      下水道系统似乎不是很令人注意,除非它们作为动作电影的逃生路线。很可能你甚至不会想到它们,直到暴雨将水带到路边。不幸的是,770多个美国老城市下面的下水道系统在暴风雨期间造成了污染问题。这些特殊的旧设计使用具有成本效益的单式管道处理污水和雨水径流,将联合污水溢流(CSO)送入河流和湖泊。

       1994年,美国环境保护局(EPA)发布了一项政策,要求主要位于东北部和大湖区的受影响市减少或消除与CSO相关的问题(该政策作为2000年《清洁水法》的一部分成为法律)。印第安纳波利斯是那些即使是一场小暴雨也会导致未经处理的污水备份和溢流的城市之一,它知道需要在2025年的最后期限前快速解决这个问题。

      印第安纳波利斯市呼吁国际设计公司AECOM能源集团设计正在建造的三条深层岩石隧道中的第一条。该系统全长25英里,包括一个巨大的地下泵站和互连结构,这些结构将CSO从现有的下水道中垂直下降。对于第一条隧道,三个大型落差结构将CSO转移到储存隧道中,以便在降雨消退后进行后续处理。

      为了解决该项目,AECOM选择了FLOW-3D来模拟多种可能的跌落结构设计,最大限度地减少了对预算建造和评估一个物理模型的返工。我们的环保和水利客户现在使用FLOW-3D HYDRO进行这些类型的建模和分析。测试结果非常准确,与预测值和测量值相匹配,因此无需重新设计;此外,AECOM现在通常将CFD模拟作为其水力隧道设计工作的第一步。

 

City of Indianapolis Deep Rock Tunnel Connector (DRTC)

图1. 印第安纳波利斯市深岩隧道连接线(DRTC),这是一个“储存和运输”概念,旨在处理暴雨期间的联合污水溢流(CSO)。三个垂直下落结构将捕获这些水流,并将其向下转移到直径18英尺、地下250多英尺的储存隧道;隧道储存CSO,直到污水处理厂的容量可用。(图片由公民能源集团提供)

 

 

      DRTC的平均深度为地面以下250英尺,其设计目的是在施工和最终运营期间最大限度地减少对上方社区的干扰。但该项目的规模和复杂性增加了AECOM任务的紧迫性:为三个地点中的每一个设计和评估可能的下降结构,在七个月内完成了60%的结构设计。

      这种结构的目的是将污水流从标准城市污水系统输送到深储隧道,同时避免效率损失(减速或备用)和长期结构损坏,如果每个部分的大小和形状与流入流量的体积和速度不匹配,可能会发生这种损害。

顾问Ryan Edison是AECOM的高级技术专家,他知道合同的时间表要求将      任何物理构建和测试活动限制为仅用于验证的一个模型。在其他重大建设项目中使用FLOW-3D HYDRO流量模拟软件15年后,他相信该软件预测湍流、漫顶和能量耗散的能力将非常适合设计项目。此外,该软件运行多个假设场景的选项使他能够最大限度地降低必须重做设计细节的风险——考虑到任何变化对具有多个平行施工轨道的项目的连锁反应,这是一个关键的好处。

      尽管时间紧迫,爱迪生对这一挑战感到特别高兴,因为有一个不同寻常的机会:用CFD创建跌落结构设计,并进行物理研究。“因为这些都是如此大的结构,”他说,“建造的结构并不多,通常只是用物理模型或手工计算完成的。CFD并没有真正被使用。”

      对于DRTC项目,他将首先在模拟操作条件下测试计算机设计。Edison使用了FLOW-3D HYDRO,这是AECOM之前使用的一个软件包,用于对三维、瞬态、湍流条件进行建模,其独特准确的自由表面跟踪算法,以及在不改变每个设计的计算网格的情况下对不同设计几何形状进行建模的能力。

有了模拟数据,爱迪生将把这些结果与爱荷华大学IIHR设施测试的1:10比例物理模型的运行数据进行比较。(后者最初被称为爱荷华水利研究所,但现在被称为IIHR——水利科学与工程,反映了该组织的多学科范围)。

 

专注于跌落结构挑战

      最严格的DRTC站点几何形状出现在指定为CSO 008的调节器处。该位置需要超过150英尺的垂直走向,以连接现有的CSO调节器(位于地面以下约75英尺处)和下方直径18英尺的新收集隧道。由于每个下降结构的成本都在700万美元或以上,项目经理们急于降低在物理模型建立后需要昂贵且耗时的重新设计的可能性。

      从历史上看,跌落结构是在纸上设计的,是对以前项目的改编,然后构建成比例模型;单独的测试可能需要六个月或更长时间。在这个加速项目中,AECOM从2009年秋季开始的最初任务是在两个标准概念之间进行选择:挡板式(级联)和切向涡流式,这两种概念都旨在减缓和控制通常每小时35英里的风暴水。手工计算和FLOW-3D HYDRO的初始CFD分析确定了一般结构直径和部件尺寸,AECOM用于评估可施工性和成本因素。

      考虑到CSO 008的现场要求和成本效益,该市和AECOM选择了切向涡流降结构。该设计的核心元件是一个由锥形(加宽)引道供给的垂直管(下落轴),该引道将气流首先引导到环形射流中,然后沿轴壁形成涡流诱导的螺旋流模式。这种可控的下降减缓并安全地处理将达到每天3亿加仑(mgd)以上的流量。避免储存通道中潜在的破坏性湍流是关键目标,因此对落井流进行预处理是设计的关键。

      该结构本身由六个主要部分组成:1)引道(来自几个现有的下水道隧道),2)矩形过渡锥形通道,该通道加宽并将水平流输送到垂直下降井,3)下降井本身必须控制向下流向隧道的流,4)一个脱气室(将气流重定向到水平方向并减少空气夹带),5)一个垂直通风口,用于从液滴中去除夹带的空气并保持液滴的空气芯打开,以及6)一个连接脱气室和储存隧道室的管道(平洞)(图2)。

 

combined sewage overflow (CSO) vertical drop structure

图2. 拟建印第安纳波利斯DRTC组合污水溢流(CSO)垂直下降结构的CAD图,显示了引道、锥形通道和涡流下降轴。AECOM使用FLOW-3D HYDRO CFD分析软件模拟了流动行为,在物理模型测试之前获得了对系统性能的信心。(图片由AECOM提供)

 

设计和结果

      虽然旋涡设计已被广泛接受,但每个跌落结构的尺寸都必须符合印第安纳波利斯的拓扑结构,以确保最佳的切向流动特性。特别是,AECOM对可能的设计进行CFD评估的计划有三个目标:确定将组合引道和锥形通道限制在较短长度的特定场地约束是否可接受,并且不会在引道中产生过度湍流条件;验证锥形通道中存在稳定的流动条件;并评估在一系列流动条件下的流动稳定性。一个合乎逻辑的参考点是著名的、有文件记录的系统,称为密尔沃基内联存储项目(在1993年该市饮用水中爆发隐孢子虫病后建造)。

      Edison最初的设计基于密尔沃基跌落结构设计,命名为H-4,按DRTC项目尺寸进行缩放,包括166英尺的基本跌落长度,并建立了FLOW-3D HYDRO分析,规定了体积流速、壁面、对称性和其他初始参数。

      他指出,我们在CFD中发现,在密尔沃基,如果你使用这种设计,它对我们的应用程序来说效果不佳。FLOW-3D显示了这一点,所以我们使用CFD进行了一些变体,并提出了我们自己的修改设计。

      修改包括使用更宽的进场通道、更宽的锥度和/或更深的锥度深度;Edison表示,在FLOW-3D HYDRO中设置每个变体以进行优化过程的速度非常快(图3、4和5)。改进的进展令人鼓舞;模拟结果的高度细节甚至说服他在跌水竖井底部增加一块挡板,以改善冲刷(侵蚀)保护,并减少垂直流向水平流过渡时的湍流。

 

Tangential drop structure flow simulated with FLOW-3D

图3、4和5. 用flow-3D模拟切向竖井的流动。结构尺寸通过多次设计迭代进行优化。(图片由AECOM提供)

 

      FLOW-3D HYDRO计算结果表明,在所有流量水平下都表现出良好的流动稳定性,最高可达300mgd,没有水力跳跃和良好的弗劳德数(一个用于表示重力对流体运动影响的无量纲量),因此AECOM从2010年2月开始选择它进行物理测试和验证(图6)。该计划是根据爱荷华州实验室的测试结果进行进一步的CFD和优化。

 

Scale model (1:10) of vertical drop structure

 

图6. 垂直跌落结构的比例模型(1:10),在爱荷华大学进行测试。(图片由AECOM提供)

 

      关于V9中确定的尺寸参数,Edison说:“我们把这个设计带到了爱荷华州,并根据CFD进行了构建,它非常完美。(IIHR的)工作人员告诉我们,这是他们第一次真正设置一些东西,而且它很有效,他们没有说要改变的任何东西。”“测量数据包括下降井连接结构内的水面高程、空气掺气的量化以及通风井的气流。随着流量的增加,涡流发展的照片显示了良好的旋转和与井壁的连接,一直到除气室(图7)。
      爱迪生多次前往测试设施进行后续工作;由于物理模型从一开始就正常工作,他有时间扩展测试程序。“有趣的是,我们随后探索了一些我们感兴趣的事情,比如移动通风口,这样我们就有时间理智地玩它了。”由于提前了计划,爱迪生能够利用剩余的项目时间来研究除气室和空腔内的水力学。

Operation of scale-model vertical drop structure

图7. 现场模型垂直跌落结构的运行,显示每天3亿加仑(mgd)的试运行。涡流的发展显示出良好的旋转和对井壁的附着,一直到除气室。无需对模拟设计进行任何设计修改。(图片由AECOM提供)

 

 

 

 

 

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