模流分析软件分析什么（模流分析软件Flow-3D）

美国多个老城市下水道系统在暴风雨期间会造成污染问题。这些旧设计使用单一管道来处理污水和暴雨径流，以一种过时的方法将合并的污水溢流 (CSO) 排入河流和湖泊。

印第安纳波利斯即使一场小雨也会导致未经处理的污水回流和溢出的城市之一，因此该州邀请设计公司 AECOM 设计 Citizens Energy Group 正在建造的深层岩石储存隧道。该系统总长 25 英里，包括一个巨大的地下泵站和互连结构，可将 CSO 从现有下水道管线垂直下降。对于第一个隧道，三个大型落差结构会将 CSO 转移到储存隧道中，以便在雨水消退后进行后处理。

为解决该项目，AECOM 选择了模流分析软件 FLOW-3D 来模拟多种可能的下降结构设计的行为，测试结果非常准确，预测值与测量值相匹配，因此无需重新设计，最大限度地减少了用于构建和评估的物理模型进行返工的可能。

20 世纪污水处理厂的建设使人们对住宅、商业和环境径流外流可以和应该做些什么有了新的认识。在正常运行期间，CSO 排放物直接进入处理厂是没问题的。在大风暴期间，为了避免这些工厂出现产能过剩问题，内置减压结构仍然将多余的流量排放到附近的水体中，这些排放物携带一系列污染物。

印第安纳波利斯市公共工程部准备了一项 CSO 长期控制计划。 他们的“储存和运输”方法的核心是将溢出物储存起来，直到处理厂能够处理它，这种方法被称为隧道储存系统，或 DigIndy。

该系统的第一阶段称为深岩隧道连接器 (DRTC)。 DRTC 是一条长 7 英里、直径 18 英尺的地下隧道，它将改造印第安纳波利斯现有的三个下水道到河流流出连接的流路（图 1）。 目标是通过现有下水道和新隧道之间的落差结构，将多余的降雨径流从这些泄压口安全地转移到大型隧道中，并将其保留，直到可以将其泵送到处理厂进行暴风雨后处理。

DRTC 的平均深度为地表以下 250 英尺，旨在最大限度地减少施工和最终运营期间对上方社区的干扰。 但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地点设计和评估可能的下落结构，并在七个月内完成了 60% 的结构设计。这种结构的能将污水从标准城市污水处理系统输送到深层储存隧道，同时避免效率降低和长期结构损坏。

AECOM 高级技术专家、顾问瑞安·爱迪生 (Ryan Edison) 相信流体仿真分析软件Flow-3D能预测湍流、溢出和能量耗散的能力将非常适合该设计项目。 此外，最关键的是考虑到具有多个并行施工轨道的项目的任何更改的连锁反应，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。

尽管时间紧迫，但 Edison 对这一挑战特别满意，因为这是一个难得的机会：使用 CFD 创建下落结构并进行物理研究。 “因为这些都是巨型结构，”他说，“所以建造的不多，而且通常只是用物理模型或手工计算来完成。差价合约并没有真正被使用。”

对于 DRTC 项目，他将首先针对模拟操作条件测试计算机设计。 Edison 使用了流体仿真分析软件 FLOW-3D，这是 AECOM 之前使用的一个软件包，因为它能够模拟三维、瞬态、湍流条件，其独特的精确自由表面跟踪算法以及它能够在不改变计算网格的情况下对每个设计模拟不同的设计几何形状。有了模拟数据，爱迪生随后会将这些结果与来自爱荷华大学 IIHR 设施测试的 1:10 比例物理模型的运行数据进行比较。

限制性最强的 DRTC 站点几何形状出现在指定为 CSO 008 的监管机构处。该地点需要超过 150 英尺的垂直运行，以将现有的 CSO 监管机构与新的 18 英尺直径的收集隧道连接起来 以下。由于每个落差结构的成本高达 700 万美元或更多，项目经理迫切希望降低在构建物理模型后需要进行昂贵且耗时的重新设计的可能性。

从历史上看，落差结构是在纸上设计改编以前的项目，然后作为比例模型构建；仅测试一项就可能需要六个月或更长时间。 在这个项目中，AECOM 的初始任务是在两个标准概念之间进行选择：挡板插入（层叠）样式和切向涡流版本，两者都旨在减缓和控制时速 35 英里的暴雨水域。 手工计算加上使用模流分析软件 FLOW-3D 的初始 CFD 分析确定了一般结构直径和组件尺寸，AECOM 可以用这些来评估可施工性和成本考虑因素。

考虑到 CSO 008 的场地要求和成本效益，AECOM 选择了切向涡流落差结构。这种设计的核心元素是一个垂直管（下降轴），由一个锥形引道进料，该引道首先将流体引导到环形射流中，然后沿着轴壁形成涡流引起的螺旋流模式。这种受控的下降可以减慢并安全地处理每天将超过 3 亿加仑的流量。关键是避免隧道中存在的潜在的破坏性湍流，因此预处理下沉井流是设计的关键。

该结构本身由六个主要部分组成：1) 引道；2) 一个矩形过渡锥形通道，它加宽并将水平流量输送到垂直下降竖井；3) 下降竖井本身 它必须控制向下流向隧道的气流；4) 一个脱气室（将气流重新定向到水平方向并减少夹带空气）；5) 一个垂直通风口，用于去除液滴中夹带的空气并保持打开滴液的气芯 6) 连接脱气室和存储隧道室的管道（入口）（图 2）。

图 2. 拟议的印第安纳波利斯 DRTC 联合污水溢流 (CSO) 垂直下降结构的 CAD 图，显示引道、锥形通道和涡流下降轴。 使用 FLOW-3D CFD 分析软件，AECOM 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。

每个液滴结构的尺寸都必须根据拓扑结构适当调整，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 评估的计划具有三个目标： 验证锥形通道中存在稳定的流动条件； 并评估一系列流动条件下的流动稳定性。 一个合适的参考点是称为密尔沃基在线存储项目的系统。

Edison 的初始设计基于指定为 H-4 的 Milwaukee 落差结构设计，按比例缩放到 DRTC 项目尺寸，包括 166 英尺的基本落差长度，并建立 流体仿真软件 FLOW-3D 分析，指定体积流量、壁、对称性 和其他初始参数。他指出，我们在 CFD 中发现，对于密尔沃基，如果你使用这种设计，它对我们的应用程序来说效果不佳。cfd流体模拟软件FLOW-3D 展示了这一点，因此我们使用 CFD 做了一些变体，并提出了自己的修改设计。

修改包括使用更宽的引道、更宽的锥度和/或更深的锥度深度； Edison 表示，在 FLOW-3D 中设置每个变体以完成优化过程的速度非常快（图 3、4 和 5）。 改善的进展令人雀跃； 模拟结果的高度细节甚至说服他在落水井底部添加挡板，以改善冲刷（侵蚀）保护并减少垂直流动过渡到水平流动的湍流。

图 3、4 和 5. 使用 FLOW-3D 模拟的切向液滴结构流。 通过多次设计迭代优化了结构尺寸。

第九个设计变体 V9 的 最好的模流分析软件FLOW-3D 输出行为加宽了进近段，在所有流量水平高达 300 mgd 时都表现出良好的流动稳定性，没有水跃和良好的弗劳德数（用于表示流量的无量纲量） ，因此 AECOM 从 2010 年 2 月开始选择它进行物理测试和验证（图 6）。 计划是根据爱荷华实验室的测试结果进行进一步的 CFD 和优化。

图 6. 垂直落差结构的比例模型 (1:10)，在爱荷华大学 IIHR 水文科学与工程设施进行测试。

关于 V9 中确定的尺寸参数，爱迪生说：“我们将该设计带到爱荷华州并基于 CFD 进行建造，它运行良好。 IIHR 的工作人员告诉我们，这是他们第一次实际上只是设置了一些东西并且它起作用了——他们没有说要改变的任何东西。” 测量数据包括下降竖井连接结构内的水面高程、平洞中夹带空气的量化以及向上通风竖井的气流。随着流量的增加涡流发展的照片显示良好的旋转和附着在轴壁上一直到脱气室（图 7）。

图 7. 比例模型垂直落差结构的操作，显示了每天 3 亿加仑 (mgd) 的试运行。 流动涡流发展显示良好的旋转和附着在轴壁上，一直到脱气室。 无需对模拟设计进行设计修改。

爱迪生多次前往测试设施进行跟进；由于物理模型从一开始就工作正常，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好奇的东西，比如移动通风口。” 由于提前完成了计划，爱迪生能够利用剩余的项目时间来研究除气室和平洞内的液压系统。

AECOM 于 2010 年 7 月完成了 DRTC 的整体工作。2013 年 3 月，开始对 18 英尺直径的隧道进行挖掘，所有三个 CSO 落差结构（另外两个仅由 CFD 设计）目前正在施工中。

总结 DRTC 的工作时，爱迪生说：“这真的很有趣。 我了解了更多关于在何处需要物理建模以及何时需要物理建模的信息，在某些情况下，您实际上可以只进行纯基于 CFD 的设计。 很多 DRTC 的工作就是证明。 确实不需要物理模型，但Flow 3D提供了验证并降低了风险。 在一个项目中同时完成这两件事真是不可思议。”

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