美國多個(gè)老城市下水道系統(tǒng)在暴風(fēng)雨期間會造成污染問題。這些舊設(shè)計(jì)使用單一管道來處理污水和暴雨徑流，以一種過時(shí)的方法將合并的污水溢流 (CSO) 排入河流和湖泊。

印第安納波利斯即使一場小雨也會導(dǎo)致未經(jīng)處理的污水回流和溢出的城市之一，因此該州邀請?jiān)O(shè)計(jì)公司 AECOM 設(shè)計(jì) Citizens Energy Group 正在建造的深層巖石儲存隧道。該系統(tǒng)總長 25 英里，包括一個(gè)巨大的地下泵站和互連結(jié)構(gòu)，可將 CSO 從現(xiàn)有下水道管線垂直下降。對于第一個(gè)隧道，三個(gè)大型落差結(jié)構(gòu)會將 CSO 轉(zhuǎn)移到儲存隧道中，以便在雨水消退后進(jìn)行后處理。

為解決該項(xiàng)目，AECOM 選擇了模流分析軟件 FLOW-3D?來模擬多種可能的下降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的行為，測試結(jié)果非常準(zhǔn)確，預(yù)測值與測量值相匹配，因此無需重新設(shè)計(jì)，最大限度地減少了用于構(gòu)建和評估的物理模型進(jìn)行返工的可能。

交貨期緊的大型項(xiàng)目

20 世紀(jì)污水處理廠的建設(shè)使人們對住宅、商業(yè)和環(huán)境徑流外流可以和應(yīng)該做些什么有了新的認(rèn)識。在正常運(yùn)行期間，CSO 排放物直接進(jìn)入處理廠是沒問題的。在大風(fēng)暴期間，為了避免這些工廠出現(xiàn)產(chǎn)能過剩問題，內(nèi)置減壓結(jié)構(gòu)仍然將多余的流量排放到附近的水體中，這些排放物攜帶一系列污染物。

印第安納波利斯市公共工程部準(zhǔn)備了一項(xiàng) CSO 長期控制計(jì)劃。 他們的“儲存和運(yùn)輸”方法的核心是將溢出物儲存起來，直到處理廠能夠處理它，這種方法被稱為隧道儲存系統(tǒng)，或 DigIndy。

該系統(tǒng)的第一階段稱為深巖隧道連接器 (DRTC)。 DRTC 是一條長 7 英里、直徑 18 英尺的地下隧道，它將改造印第安納波利斯現(xiàn)有的三個(gè)下水道到河流流出連接的流路（圖 1）。 目標(biāo)是通過現(xiàn)有下水道和新隧道之間的落差結(jié)構(gòu)，將多余的降雨徑流從這些泄壓口安全地轉(zhuǎn)移到大型隧道中，并將其保留，直到可以將其泵送到處理廠進(jìn)行暴風(fēng)雨后處理。

DRTC 的平均深度為地表以下 250 英尺，旨在最大限度地減少施工和最終運(yùn)營期間對上方社區(qū)的干擾。 但項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜性增加了 AECOM 任務(wù)的緊迫性：為三個(gè)地點(diǎn)中的每一個(gè)地點(diǎn)設(shè)計(jì)和評估可能的下落結(jié)構(gòu)，并在七個(gè)月內(nèi)完成了 60% 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的能將污水從標(biāo)準(zhǔn)城市污水處理系統(tǒng)輸送到深層儲存隧道，同時(shí)避免效率降低和長期結(jié)構(gòu)損壞。

AECOM 高級技術(shù)專家、顧問瑞安·愛迪生 (Ryan Edison) 相信流體仿真分析軟件Flow-3D能預(yù)測湍流、溢出和能量耗散的能力將非常適合該設(shè)計(jì)項(xiàng)目。 此外，最關(guān)鍵的是考慮到具有多個(gè)并行施工軌道的項(xiàng)目的任何更改的連鎖反應(yīng)，該軟件運(yùn)行多個(gè)假設(shè)場景的選項(xiàng)使他能夠最大限度地降低必須重做設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管時(shí)間緊迫，但 Edison 對這一挑戰(zhàn)特別滿意，因?yàn)檫@是一個(gè)難得的機(jī)會：使用 CFD 創(chuàng)建下落結(jié)構(gòu)并進(jìn)行物理研究。 “因?yàn)檫@些都是巨型結(jié)構(gòu)，”他說，“所以建造的不多，而且通常只是用物理模型或手工計(jì)算來完成。差價(jià)合約并沒有真正被使用?！?/p>

對于 DRTC 項(xiàng)目，他將首先針對模擬操作條件測試計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。 Edison 使用了流體仿真分析軟件?FLOW-3D，這是 AECOM 之前使用的一個(gè)軟件包，因?yàn)樗軌蚰M三維、瞬態(tài)、湍流條件，其獨(dú)特的精確自由表面跟蹤算法以及它能夠在不改變計(jì)算網(wǎng)格的情況下對每個(gè)設(shè)計(jì)模擬不同的設(shè)計(jì)幾何形狀。有了模擬數(shù)據(jù)，愛迪生隨后會將這些結(jié)果與來自愛荷華大學(xué) IIHR 設(shè)施測試的 1:10 比例物理模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

專注于落差結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)

限制性最強(qiáng)的 DRTC 站點(diǎn)幾何形狀出現(xiàn)在指定為 CSO 008 的監(jiān)管機(jī)構(gòu)處。該地點(diǎn)需要超過 150 英尺的垂直運(yùn)行，以將現(xiàn)有的 CSO 監(jiān)管機(jī)構(gòu)與新的 18 英尺直徑的收集隧道連接起來 以下。由于每個(gè)落差結(jié)構(gòu)的成本高達(dá) 700 萬美元或更多，項(xiàng)目經(jīng)理迫切希望降低在構(gòu)建物理模型后需要進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)的可能性。

從歷史上看，落差結(jié)構(gòu)是在紙上設(shè)計(jì)改編以前的項(xiàng)目，然后作為比例模型構(gòu)建；僅測試一項(xiàng)就可能需要六個(gè)月或更長時(shí)間。 在這個(gè)項(xiàng)目中，AECOM 的初始任務(wù)是在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)概念之間進(jìn)行選擇：擋板插入（層疊）樣式和切向渦流版本，兩者都旨在減緩和控制時(shí)速 35 英里的暴雨水域。 手工計(jì)算加上使用模流分析軟件 FLOW-3D?的初始 CFD 分析確定了一般結(jié)構(gòu)直徑和組件尺寸，AECOM 可以用這些來評估可施工性和成本考慮因素。

考慮到 CSO 008 的場地要求和成本效益，AECOM 選擇了切向渦流落差結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)的核心元素是一個(gè)垂直管（下降軸），由一個(gè)錐形引道進(jìn)料，該引道首先將流體引導(dǎo)到環(huán)形射流中，然后沿著軸壁形成渦流引起的螺旋流模式。這種受控的下降可以減慢并安全地處理每天將超過 3 億加侖的流量。關(guān)鍵是避免隧道中存在的潛在的破壞性湍流，因此預(yù)處理下沉井流是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

該結(jié)構(gòu)本身由六個(gè)主要部分組成：1) 引道；2) 一個(gè)矩形過渡錐形通道，它加寬并將水平流量輸送到垂直下降豎井；3) 下降豎井本身 它必須控制向下流向隧道的氣流；4) 一個(gè)脫氣室（將氣流重新定向到水平方向并減少夾帶空氣）；5) 一個(gè)垂直通風(fēng)口，用于去除液滴中夾帶的空氣并保持打開滴液的氣芯 6) 連接脫氣室和存儲隧道室的管道（入口）（圖 2）。

設(shè)計(jì)和 CFD 分析

每個(gè)液滴結(jié)構(gòu)的尺寸都必須根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，以確保最佳的切向流動特性。 特別是，AECOM 對可能的設(shè)計(jì)進(jìn)行 CFD 評估的計(jì)劃具有三個(gè)目標(biāo)： 驗(yàn)證錐形通道中存在穩(wěn)定的流動條件； 并評估一系列流動條件下的流動穩(wěn)定性。 一個(gè)合適的參考點(diǎn)是稱為密爾沃基在線存儲項(xiàng)目的系統(tǒng)。

Edison 的初始設(shè)計(jì)基于指定為 H-4 的 Milwaukee 落差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按比例縮放到 DRTC 項(xiàng)目尺寸，包括 166 英尺的基本落差長度，并建立 流體仿真軟件 FLOW-3D 分析，指定體積流量、壁、對稱性 和其他初始參數(shù)。他指出，我們在 CFD 中發(fā)現(xiàn)，對于密爾沃基，如果你使用這種設(shè)計(jì)，它對我們的應(yīng)用程序來說效果不佳。cfd流體模擬軟件FLOW-3D?展示了這一點(diǎn)，因此我們使用 CFD 做了一些變體，并提出了自己的修改設(shè)計(jì)。

修改包括使用更寬的引道、更寬的錐度和/或更深的錐度深度； Edison 表示，在 FLOW-3D 中設(shè)置每個(gè)變體以完成優(yōu)化過程的速度非?？欤▓D 3、4 和 5）。 改善的進(jìn)展令人雀躍； 模擬結(jié)果的高度細(xì)節(jié)甚至說服他在落水井底部添加擋板，以改善沖刷（侵蝕）保護(hù)并減少垂直流動過渡到水平流動的湍流。

第九個(gè)設(shè)計(jì)變體 V9 的 最好的模流分析軟件FLOW-3D?輸出行為加寬了進(jìn)近段，在所有流量水平高達(dá) 300 mgd 時(shí)都表現(xiàn)出良好的流動穩(wěn)定性，沒有水躍和良好的弗勞德數(shù)（用于表示流量的無量綱量） ，因此 AECOM 從 2010 年 2 月開始選擇它進(jìn)行物理測試和驗(yàn)證（圖 6）。 計(jì)劃是根據(jù)愛荷華實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的 CFD 和優(yōu)化。

關(guān)于 V9 中確定的尺寸參數(shù)，愛迪生說：“我們將該設(shè)計(jì)帶到愛荷華州并基于 CFD 進(jìn)行建造，它運(yùn)行良好。 IIHR 的工作人員告訴我們，這是他們第一次實(shí)際上只是設(shè)置了一些東西并且它起作用了——他們沒有說要改變的任何東西?！?測量數(shù)據(jù)包括下降豎井連接結(jié)構(gòu)內(nèi)的水面高程、平洞中夾帶空氣的量化以及向上通風(fēng)豎井的氣流。隨著流量的增加渦流發(fā)展的照片顯示良好的旋轉(zhuǎn)和附著在軸壁上一直到脫氣室（圖 7）。

愛迪生多次前往測試設(shè)施進(jìn)行跟進(jìn)；由于物理模型從一開始就工作正常，他有時(shí)間擴(kuò)展測試程序。 “有趣的是，我們隨后探索了一些我們好奇的東西，比如移動通風(fēng)口?！?由于提前完成了計(jì)劃，愛迪生能夠利用剩余的項(xiàng)目時(shí)間來研究除氣室和平洞內(nèi)的液壓系統(tǒng)。

最終結(jié)果

AECOM 于 2010 年 7 月完成了 DRTC 的整體工作。2013 年 3 月，開始對 18 英尺直徑的隧道進(jìn)行挖掘，所有三個(gè) CSO 落差結(jié)構(gòu)（另外兩個(gè)僅由 CFD 設(shè)計(jì)）目前正在施工中。

總結(jié) DRTC 的工作時(shí)，愛迪生說：“這真的很有趣。 我了解了更多關(guān)于在何處需要物理建模以及何時(shí)需要物理建模的信息，在某些情況下，您實(shí)際上可以只進(jìn)行純基于 CFD 的設(shè)計(jì)。 很多 DRTC 的工作就是證明。 確實(shí)不需要物理模型，但Flow 3D提供了驗(yàn)證并降低了風(fēng)險(xiǎn)。 在一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)完成這兩件事真是不可思議?！?/p>

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