高扬程虹吸排水合理管径数值模拟

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滑坡是一种常见的地质灾害,降雨容易引起坡体地下水位的上升,从而诱发滑坡。地下水主要通过软化土体、增加土体自重、渗透力作用影响边坡稳定性,因此及时排出坡体内的地下水可以有效防止滑坡的发生。当前排水措施施工复杂、长期排水效果差、费用高。而虹吸排水技术具有免动力排出深部地下水的优势,且施工简单,造价低,值得在边坡治理工程中推广应用。论文提出边坡虹吸排水这一方法,该排水方法具有可实现深部排水、施工简单、造价低等优点。但因边坡排水涉及高扬程,在虹吸管内的低压环境中流动时液体会发生强烈的空化现象,从而产生气液两相流。在间歇性虹吸排水过程中,随着虹吸管两侧液面高差的下降,流速慢慢降低,虹吸管气液两相流通区域是一个从泡状流向弹状流转变的过程,如果流速过慢不能及时将析离的气泡带走,气泡会积聚在虹吸管顶点附近,形成附壁弹状流,空化现象将加剧,气泡堵住整个管道时,虹吸管右侧真空度不断降低,破坏虹吸现象的连续性,最终导致虹吸过程中断。通过对管内两相流型分析,发现只有形成完整的弹状流,才能将气泡带走,从而保证虹吸的长期有效。采用流体数值计算分析软件FLUENT的VOF模型,分别对管径为4mm、5mm、6mm、8mm的虹吸管内的气液两相流型进行模拟,结果表明:管径小于5mm的条件下,表面张力起主要作用,能形成完整弹状流;管径大于6mm的条件下,会形成附壁弹状流。该结论与物理模型试验结果一致,表明数值模拟分析结果可靠。采用4mm管径虹吸管,通过改变壁面粗糙度和接触角进行数值模拟,结果均表明能形成完整弹状流,说明壁面粗糙度对流型的影响不大,接触角的改变会影响完整弹状流的形状,但不会造成气泡的积聚。
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