城市雨洪排水系统中“间歇泉”现象的瞬态特性及发生机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51679066
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0903.水力学与河流动力学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Transient flow with large entrapped air pockets would occur in the urban stormwater drainage systems during extremely strong rain events. Geysers, which involve the explosive release of water or air-water mixtures through vertical shafts, have been attributed to violent air-water interactions in pipeline. The abnormal high water hammer during geysering most likely cause pipe structural damages. Rapid urbanization, extreme rainfall over return period and drainage-storage combination of “Sponge City”, induce that the problems described above occur frequently in recent years. So far, the transient behaviors and formation mechanisms of geysering are still limited and fragmented. Based on our previous investigations on the transient flow with entrapped air pockets, theoretical analysis, three-dimensional numerical simulation, experimental observation with high-speed photograph processing technique and the filed investigation are combined and used in this research program. According to the geometric characteristics of actual urban stormwater drainage systems and the inflow behaviors during extreme strong rain events, the mechanisms for air pocket entrapment, the three-dimensional dynamic characteristics associated with air pocket displacement, pressurization, expansion, and deformation, and the change rule during the transient process, are investigated carefully. In addition, the transient characteristics of geysering, and air-water two phase flow behaviors in vertical shafts during the explosive release of water or air-water mixtures are explored. The dynamic mechanisms of interactions between the geyser and the flow characteristic near the geyser are also conducted. Finally, the numerical modeling methods for the special transient flow involved geysers, and protection methods avoiding geysers, are proposed. All above work is significant and practical for warning and forecast of urban storm flood and comprehensive stormwater management.
在超设计标准降雨情况下,城市雨洪排水系统中将出现含大体积滞留气团瞬变流,其剧烈的气水相互作用会诱发竖井井口处爆发性释放的“间歇泉”现象,其对应的异常水锤足以引起系统结构破坏。近年来,快速城市化、超重现期降雨及“海绵城市”排蓄结合等致使上述现象频繁发生。目前,国内外对于这种特殊瞬变流的瞬态特性和发生机理尚缺乏准确认识。依托本课题组在含滞留气团瞬变流方面的研究基础,本项目拟采用理论分析、三维数值模拟和基于高速摄影-图像处理的实验测试及实地观察分析相结合方法,根据城市雨洪系统结构和极端降雨情况的来流特性,研究大体积气团的滞留机理和气团运动、压缩、膨胀、变形的三维动态特性及变化规律;研究“间歇泉”爆发的瞬态特性、竖井中气水两相流场特征及其流动特性;探索“间歇泉”与相邻区域流动之间互激扰动的动力机制;提出该特殊瞬变流的模拟分析理论、预测及防护方法。这对城市暴雨洪水预警预报和综合雨洪管理具有重要意义。

结项摘要

在超设计标准降雨情况下,城市雨洪排水系统中常会出现水气两相耦合瞬变流、“间歇泉”现象,由此产生异常压力波动极可能造成管道破坏事故。目前,关于这种特殊瞬变流现象的瞬态特性和发生机理尚缺乏准确认识。本项目研制和搭建了高分辨率量测系统实验台,完成了水流冲击滞留气团瞬变流、“间歇泉”现象的实验研究;系统研究了大体积气团的滞留机理和气团运动、压缩、膨胀、变形、排放的三维动态特性及变化规律;研究“间歇泉”爆发的瞬态特性、竖井中气水两相流场特征及其流动特性;探索“间歇泉”与相邻区域流动之间互激扰动的动力机制;提出了水气耦合瞬变流的仿真计算模型和数值模拟方法。这对城市暴雨洪水预警预报和综合雨洪管理具有重要意义。.(1)搭建了恒压供水系统水气耦合瞬变流的可视化实验平台。.(2)揭示了气团滞留-压缩-膨胀-变形-排放的动态特性及水气耦合作用规律。.(3)弄清了水流冲击滞留气团过程中水气耦合的热力学特性。.(4)揭示了“间歇泉”爆发过程的瞬态特性及发生机理。.(5)揭示了两个竖井的“间歇泉”的瞬态特性及相邻管内区域流动特性的相互影响机理。.(6)建立了水气耦合瞬变流的三维精细化CFD数学模型.(7)建立了水流冲击滞留气团的动态摩阻及水-气-管壁传热模型,揭示了水气两相能量耗散机理及变化规律。.(8)推导建立了基于有限体积法Godunov格式水-气瞬变流数学模型。.依托本项目,培养博士、硕士生8名(毕业4名,在读4名)。发表论文18篇,另有8篇中文期刊论文录用,均标注本项目资助。9篇SCI,均发表在Journal of Hydraulic Engineering–ASCE(5篇)、Journal of Hydraulic Research-IAHR(3篇)、Journal of Hydro-environment Research(1篇)水力学领域国际著名期刊。发明专利授权6项,发明专利受理8项。软件著作权1项。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(5)
会议论文数量(2)
专利数量(6)
Primitive Form Godunov-Type Scheme for Two-Phase Homogeneous Water Hammer Flows
两相均质水锤流的原始形式Godunov型方案
  • DOI:
    10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001725
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    Journal of Hydraulic Engineering
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Xue Zijian;Zhou Ling;Karney Bryan;Liu Deyou;Wang Pei
  • 通讯作者:
    Wang Pei
基于KBM法的气垫式调压室涌波显式解析解研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    水力发电学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    欧传奇;刘德有;周领
  • 通讯作者:
    周领
Dynamic Behavior of Entrapped Air Pocket in a Water Filling Pipeline
加水管道中滞留气穴的动态行为
  • DOI:
    10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001491
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
    Journal of Hydraulic Engineering
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Zhou Ling;Wang Huan;Karney Bryan;Liu Deyou;Wang Pei;Guo Su
  • 通讯作者:
    Guo Su
Godunov-Type Solutions with Discrete Gas Cavity Model for Transient Cavitating Pipe Flow
瞬态空化管流离散气腔模型的 Godunov 型解决方案
  • DOI:
    10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001463
  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
    Journal of Hydraulic Engineering
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Zhou Ling;Wang Huan;Bergant Anton;Tijsseling Arris S.;Liu Deyou;Guo Su
  • 通讯作者:
    Guo Su
管内水流冲击滞留气团的CFD模拟方法验证
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    水电能源科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马佳杰;周领;刘德有;王欢;潘天文
  • 通讯作者:
    潘天文

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其他文献

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  • 发表时间:
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  • 作者:
    张罗彬;欧传奇;刘德有;陈五一;周领;ZHANG Luobin1,OU Chuanqi2,LIU Deyou2,3,CHEN Wuyi1,;2.Internation Center on Small Hydropower,Hangzhou;3.College of Water Conservancy;Hydropower,Hoha
  • 通讯作者:
    Hydropower,Hoha
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    --
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    --
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初始投标值数量和样本容量对双边界二分式CVM的影响
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    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王世雪

其他文献

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    青年科学基金项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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