内涝现象在全国各大城市频发, 造成了严重的经济损失, 甚至威胁到人民人身安全, 引起了社会各界的不同关注^[1,2]。目前已建成的排水管网系统, 被广泛认可的主要措施有:更换扩大老旧管道、新增连通管等需开挖路面的施工措施;水泵抽吸进行强排, 实现渍水点雨水快速外排等临时措施。而本文所研究的蜗形滞流器, 是一种安装于现有的雨水管网系统中, 可对雨水起到错峰管理作用的水力流量调节装置。与一般节流阀不同的是, 蜗形滞流器不改变物理过流面积, 当上游处于低水位时, 保持原排水管道的过流能力;当上游水位到达一定高度时, 能自发在装置内部形成空气压缩带而产生滞流作用。因装置结构简单、不含任何转动部件、不易堵塞、无需开挖路面、安装简便、无需外部动力源及人员专门管理等优势而逐渐在国外受到关注, 蜗形滞流器的合理安装可有效缓解下游地势低洼处的交通要道内涝问题, 为城市有序排水提供一种可行的新思路。

　　 在国外, Schluter等^[3]分析讨论了3种可持续排水系统, 并指出蜗形滞流器的利用可以有效地起到雨量削峰作用。Faram等^[4]指出带有蜗形滞流器的一种雨水管理系统, 在实现雨水高效管理的同时, 还具有很好的灵活性和经济效益高等特点。因而国外部分相关人员对该装置进行了一定程度的研究。LeCornu等^[5]对蜗形滞流器进行了计算机仿真模拟, 并结合具体试验数据进行对比分析, 研究发现采用蜗形滞流器可使内涝改善效果高达35%。Stephenson等^[6]认为蜗形滞流器的“S”型特性曲线有利于其在源头控制雨水流量, 相较于传统的在管网末端截流等方法更为有效, 此外并不会像直接安装小孔板那样出现阻塞现象。在具体应用方面, Andoh等^[7]介绍了蜗形滞流器应用于加拿大渥太华和苏格兰格拉斯哥的实例, 并发挥了出色的改善城市内涝的作用。Boakes等^[8]在英国的威登贝克小镇建造了一个重达6.5t的蜗形滞流器, 用于对堤坝进行流量控制及改善小镇内涝。在国内, 与蜗形滞流器相关的研究甚少, 仅有李超等通过计算机仿真模拟, 分析得出了节流性能最佳的蜗形滞流器主要结构尺寸。

　　 尽管在国外关于蜗形滞流器的的计算机模拟仿真和应用实例已有进行, 但是通过小规模实验室装置试验, 对其固有物理性能的研究结果却鲜有文献供参考, 在国内更是少有涉及。而通过实验室试验验证从而修正装置的固有物理性能, 使得下一步的雨洪系统模拟与实际应用增加了科学性, 提高了准确性。因此本文在李超仿真模拟结果的基础上, 通过建立雨水管为D200的雨水排放系统物理试验模型, 并安装蜗形滞流器样机后进行试验, 考察其物理试验结果与仿真模拟的差异, 在优化装置节流性能的同时, 探究样机的实际试验结果规律。

　　 不同的雨水管管径需安装相应口径的蜗形滞流器, 由于受试验系统规模限制, 因此尽管市政雨水管往往为D400及以上, 本试验系统经计算机仿真模拟验证后采用相似原理, 将实际应用装置等比例缩小为D200R300 (出口直径为200 mm, 腔体半径为300mm) 的蜗形滞流器进行试验。实验室已建成检查井尺寸为750mm×750mm×2 000mm、雨水管径为D200的雨水排放系统试验模型。系统由上水箱、进水管、进水端电磁流量计、进水闸阀、检查井、蜗形滞流器、出水直管、出水U形管、出水电磁流量计、背压水箱、出水闸阀、下水箱、离心泵组等部件组成。为方便试验中对水流形态进行观察, 所有试制装置均由透明有机玻璃板制作而成。具体见图1所示, 箭头表示为试验中水流的流动方向。图2为实验室, 图3为蜗形滞流器实物照片。

　　 试验过程中, 水泵的启闭由上水箱中的浮球阀控制, 实现系统的试验用水持续循环运作。进出水管的流量分别由两部电磁流量计测量, 检查井内水位由位于检查井上方的超声波液位仪测量, 仪器监测数据由计算机实时采集并保存。

　　 电磁流量计:TSF82E-100-162A100RR;口径:DN100/DN200;精度:0.5%;

　　 超声波液位仪:TS-L300;量程:0~3 m;精度:0.5%;

　　 卧式离心泵:ISW100~200 (I) A;流量:86.1m³/h;扬程:9.3m;电机功率:4kW;

　　 成组电缆浮球阀:LPF-P;L=3m。

　　 试验开始前, 确保上下水箱有充足的试验用水, 进水闸阀处于关闭状态, 出水闸阀处于全开状态;离心泵控制开关调至自动位置, 在计算机上点击开始记录进水、出水流量值和检查井内的水位值, 打开进水闸阀使检查井开始进水;根据检查井内水位上升快慢, 逐步打开进水闸阀, 基本保持检查井内水位缓慢稳定上升, 并观察记录蜗形滞流器内的水流和空气带变化;直至水位上升至溢流口, 保存记录数据, 关闭进水闸阀, 试验结束。

　　 出水管管底为蜗形滞流器水头H值零点位置, H值由置于检查井顶部的超声波液位仪检测。出水管中流量为蜗形滞流器的出水流量, 因试验中有出水管中非满流情况, 由U形管底部安装电磁流量计的方法进行检测。但由于U形管的存在, 导致排水直管连接的第一个弯头处在排水初期形成积气, 因此在此处加装排气管阀。试验中排水初期阀门处于开启状态, 排出管道内气体;待排水管满管后, 关闭阀门, 避免管道在此处吸气。

　　 蜗形滞流器安装于出水口位置, 装置的出水口与出水管道紧密相接, 可在不同水位下在装置内部自动形成不同形态的涡流, 改变出水过流断面, 从而限制出水流量。具体可分为以下4步:

　　 (1) 当进水侧处于低水位时, 水流平稳穿过蜗形滞流器迅速排走, 此时水流在装置内部和出水管里湍流流动很小;

　　 (2) 当进水侧水位继续上升, 蜗形滞流器内部产生涡流, 此时的涡流还不稳定, 不断地进行涡流的“产生-崩溃-产生”过程;

　　 (3) 随着水位继续上升, 蜗形滞流器内涡流逐渐形成密实的空气压缩带, 出水管中有明显的螺旋流动现象;

　　 (4) 在水位下降过程中, 装置内的空气压缩带和出水管道中螺旋流动现象逐渐消失, 此时蜗形滞流器恢复初始的工作状态。

　　 仿真模拟结果由ANSYS计算得到, 试验由D200R300的样机安装于文中第2部分中提到的系统装置中进行3次以上重复试验结果平均得到, 对比曲线如图4所示。

　　 由图4可以发现, 涡流形成前和空气压缩带稳定后的固定出水口H-Q曲线差异较大, 这可能主要是由于试验系统存在的不可抗阻力, 以及人工制作装置的精确度、实验系统与仿真模型的差异等原因引起的, 但同一尺寸装置的实验室试验性能曲线与仿真模拟的结果趋势大致相同, 因此可以认为试验与模拟结果趋势大致相符。

　　 此外, 通过比较蜗形滞流器特性曲线与节流性能稳定后的等效未安装滞流器D100出水管H-Q曲线可以发现, 在低水位时, 安装蜗形滞流器并不影响原管道的过流能力, 不易堵塞, 仅在高水位时 (H=0.8~1m) , 装置才发挥滞流作用。相较于直接缩小物理过流面积, 安装蜗形滞流器可在低水位时仍旧保持较大的过流能力, 即下游渍水不严重时, 可尽可能多地排走上游雨水, 可为下一步的滞水腾出蓄水空间。因此图4中阴影部分面积越大, 蜗形滞流器相较于固定孔板节流装置可节省的蓄水空间也越大, 这也是安装蜗形滞流器而不直接采用固定小口径的节流装置的优势之一。

　　 为了强化蜗形滞流器的节流效果, 在装置进口处专门设置导流板, 其目的是引导装置内部的水流更快地形成稳定的空气压缩带。导流板绕蜗形滞流器环板水平直径的边缘点P, 顺时针旋转13°, 15°, 18°, 其余尺寸保持不变分别制作样机, 依次安装于实验室系统装置的检查井中进行试验。导流板角度α示意如图5。

　　 为考察安装不同蜗形滞流器样机前后的各自滞流效果, 特在未安装蜗形滞流器且替换出水直管D200为D100、D110、D120、D130、D140, 分别进行H-Q特性曲线试验, 并选取空气压缩带形成前后的等效出水管管径H-Q曲线, 绘制图表进行分析。导流板角度为15°的蜗形滞流器设置导流板前后与未安装滞流器的不同管径出水管特性曲线如图6所示。

　　 不同导流板角度α的蜗形滞流器与未安装蜗形滞流器不同管径出水管的特性曲线如图7。

　　 从图6可以看出, 增设导流板后, 第一拐点出现位置由C’移至C, 其对应的进水口水位由H’降至H, 这可能是由于导流板的设置有利于引导水流形成环状流, 而所需的进水口水头有所下降, 由大约1.0m下降至0.8m左右。此外, 节流稳定后的过流面积明显缩小, 由原来的D130变为D100。由图7可见, 而随着导流板角度由13°增至18°, 蜗形滞流器的特性曲线显示, 其稳定后的过流面积变小, 又再次变大, 且当导流板角度α为15°时, 节流效果最佳, 过流面积由13°、18°时的D120变为D100。可见, 安装导流板及进一步确定最佳导流板角度均可有效提升蜗形滞流器的节流性能, 而增设导流板同时可明显降低蜗形滞流器内形成环状流所需的进水口水头。

　　 选用4.2中对装置进行导流改进的蜗形滞流器。即将导流板角度为15°, 安装于实验室系统的检查井中进行测试试验。在检查井及蜗形滞流器内完全排空的情况下进行单管进水, 开启闸阀控制进水流量, 使检查井内水位缓慢上升至检查井溢流口, 可记录如图8上升曲线;待水位上升至检查井溢流口后, 关闭闸阀控制减少进水流量, 使检查井内水位缓慢降低, 可记录如图8中下降曲线。

　　 从图8可发现, 水位上升和下降过程中其工作特性曲线明显不不同, 水位下降过程中特性曲线S型折点降低明显。结合图8, 通过试验现象可以发现, 这是由于检查井内初次蓄水时, 水位逐渐上升, 蜗形滞流器内水流出现沿环状板流动的不完整环状流, 装置内残存的空气积存于环状板上部, 直到水位上升至B点, 检查井内水位略高于蜗形滞流器顶部, 装置内外水位差使得部分积存于上部的空气转移至装置中心及出水管中, 出现肉眼可见的带状旋流气泡, 开始产生节流作用, 如图9a所示;水位继续上升至C点, 蜗形滞流器内水流可形成完整环状流, 上部积存气体消失, 而以气泡形式大量散布在出水口附近, 受不断上升水压作用, 散布气泡逐渐向出水口中心位置聚拢, 节流效果变化明显, 如图9b所示;直至水位升至D点, 装置内所有气体聚集至出水口中心位置, 形成密实的空气压缩带, 如图9c、图9d所示。而在满水的情况下, 蜗形滞流器中的空气压缩带一直存在, 并且在水位下降过程中, 装置内部仍充满水, 并一直保持稳定的节流效果;随着检查井内水位继续下降至E点附近, 由于出水管出现非满流而使腔体内外气压相通, 装置抽吸大量空气的同时, 内部滞水瞬间出流, 蜗形滞流器恢复至出水管原来的过流能力。通过以上试验结果可以清楚地发现, 一旦漩涡空气压缩带形成并稳定, 蜗形滞流器便能表现相当于小孔板的节流能力, 直到水位不断下降至装置腔体内外气压相通, 蜗形滞流器才自动恢复原出水管过流能力, 随后腔体再次内充满空气, 为下一次节流做准备。

　　 在试验检查井出水管上设置背压水箱, 背压水箱内可安插不同高度的挡水板, 用以考察在不同背压下蜗形滞流器的特性曲线的变化规律。 (在背压水箱内设置了液位器, 具体的背压值按照液位器中水位高低确定。)

　　 从图10不同背压作用下蜗形滞流器工作特性曲线图可以发现, 随着背压的增大, 蜗形滞流器的工作特性曲线也相应抬升, 同时特性曲线的“S”型拐弯段, 即涡流形成直至稳定的过程曲线也相应抬高, 这是由于背压水位的抬高, 检查井内的水位势能, 除了要克服相同稳定涡流形成所需要的能量外, 还需要克服背压水箱内的水位势能, 这也与机械能守恒定律相一致。而在曲线形成的初始阶段, 由于背压水箱内的挡板阻止了水流的流出, 尽管出水管 (出水流量监测点) 内有水流流动现象, 但流量增加并不快, 保持在5L/s左右, 直到检查井内的水位大致和背压水箱内挡板高度相同, 背压水箱内的水流翻过挡板堰进行正常排水, 排水管内的流量才恢复正常水平。

　　 通过蜗形滞流器样机在D200的雨水排放系统试验模型中进行多次反复试验后, 可以得出以下结论:

　　 (1) 通过对同一蜗形滞流器进行实验室试验与计算机仿真模拟, 发现其结果趋势大致相符, 证明了结果的正确性;蜗形滞流器在低水位时不改变雨水系统的固有排水能力, 仅在高水位时自发产生滞流作用, 不易堵塞, 可节约蓄水空间。

　　 (2) 设置导流板可有效提升蜗形滞流器的节流性能, 且当导流板角度α为15°时, 过流面积最小, 节流稳定后的过流面积由未设置导流板时的D130变为D100。

　　 (3) 特性曲线“S”段为蜗形滞流器内漩涡流的发生至稳定的阶段, 一旦漩涡空气压缩带稳定, 蜗形滞流器的过流能力相当于固定口径的孔板;直到空气大量进入装置腔体, 蜗形滞流器才自动恢复出水管本身过流能力。

　　 (4) 随着背压的上升, 特性曲线的“S”型拐弯段, 也相应抬高, 符合机械能守恒定律。