一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构及其消能方法与流程

专利2022-05-09  3


本发明属于城市洪涝中积水水深监测的振荡消除的技术领域,具体涉及一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构及其消能方法。



背景技术:

随着气候变化和城市化影响的日益加剧,城市洪涝灾害变得更加频繁,给城市正常运转和经济社会发展、居民正常生活造成严重影响乃至损失。有效应对城市洪涝的手段之一即采用监测的方式感知积水水深,将积水监测数据应用于城市管理,如道路通行预警、排涝抢险、模拟预报等,在积水监测中,通常采用基于压力传感式和浮子式的水位计,将其安装在易涝点,水流通过小也进入监测池后实现水深监测,由于受到车辆等的影响,通常容易监测到水位的振荡,降低了积水监测质量,会给城市排涝工作带来一定的不利影响,增加了人为判别的工作量。

目前,城市内涝积水主要通过在路面设置监测井进行检测并传输数据,监测井内的装置为电子压力计或者电子水尺,根据积水的压力变化或者积水水面高度对路面积水进行检测。在这种监测方式下,积水直接接触监测装置,积水不稳定波动将对监测数据稳定性造成影响。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足,提供一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构及其消能方法,以解决积水直接接触监测装置,积水不稳定波动将对监测数据稳定性造成影响的问题。

为达到上述目的,本发明采取的技术方案是:

一方面,一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构及其消能方法,其包括设置于监测井内的消力池;消力池一端通过斜坡与进水口连通,消力池另一端为90°坡度;靠近消力池90°坡度一侧的监测井内设置监测设备。

一方面,一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构的消能方法,包括:

根据汽车行驶的速度和汽车轮胎参数,计算汽车在积水路面行驶积水波动的流速;

根据积水波动的流速,计算消力池结构参数;

基于消力池结构参数、消力池首端流速和消力池末端流速,计算消力池的消能效率。

进一步地,计算积水波动的流速v2:

其中,w为汽车轮胎的宽度,汽车轮胎在积水中的浸没部分前进一个身位所需要的时间t为:

其中,c1为汽车轮胎行驶的距离,d为汽车轮胎的直径,v1为汽车轮胎运动的线速度,a为轮胎中心到轮胎与积水边缘的角度的一半。

进一步地,计算消力池结构参数,包括:

d=σh1-h2-δz

其中,d为消力池深度,σ为淹没系数,h1为进水口斜坡末端收缩水深的共轭水深即跃后水深;h2为井内监测设备处水深,δz为出池水位落差,α为水流的动能校正系数,q为进水口的单宽流量,g为重力加速度,b1、b2分别为消力池前后端宽度,e0为消力池底起算的积水总水头,为流速系数,h为路面积水深度。

进一步地,消力池结构参数还包括消力池长度lsj:

lsj=ls βlj

lj=6.5·(h1-h3)

其中,ls为斜坡的水平长度;β为水跃长度校正系数,lj为水跃长度。

进一步地,计算消力池的消能效率k:

其中,e1为水流在消力池首端能量,e2为水流在消力池末端能量,vi为水流在消力池首端的流速,vj为水流在消力池末端的流速。

进一步地,根据水流的连续性方程,计算水流在消力池末端的流速为:

其中,vj为水流在消力池末端的流速本发明提供的基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构及其消能方法,具有以下有益效果:

本发明通过在积水监测井基于底流消能原理设置消力池的结构,促使水流在进入监测井内产生水跃,通过水流的内部摩擦,掺气和撞击消耗能量,对积水的波动和冲击进行削弱,以减轻对积水监测设备的影响,可有效减弱积水对监测设备的冲击和波动,从而使城市路面积水监测更加稳定、准确。

附图说明

图1为效能池结构图。

图2为汽车轮胎的几何参数。

图3为轮胎在积水中的浸没部分前进一个身位的示意图。

图4为消能方法流程图。

其中,1、监测井;2、进水口;3、斜坡;4、第一断面;5、消力池;6、第二断面;7、监测设备。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例,参考图1,本方案的基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构,包括设置于监测井1内的消力池5;消力池5一端通过斜坡3与进水口2连通,消力池5另一端为90°坡度,靠近消力池90°坡度一侧的监测井1内设置监测设备7。

本发明通过在积水监测井1内设置消力井结构,促使水流在进入监测井1内产生水跃,通过水流的内部摩擦,掺气和撞击消耗能量,对积水的波动和冲击进行削弱,以减轻对积水监测设备7的影响。

根据本申请的一个实施例,参考图2、图3和图4,一种基于底流消能的城市积水监测振荡消除结构的消能方法,具体包括:

根据汽车行驶的速度和汽车轮胎参数,计算汽车在积水路面行驶产生波动的流速。

通常情况下,路面积水的波动主要由汽车快速行驶产生,该部分计算分析在不同情况下城市道路中汽车行驶所产生的路面积水波动的流速。汽车对积水的作用主要由轮胎直接产生,在该计算部分中将汽车的轮胎和轮毂、轮辐、轮辋等结构视作一个均质圆柱,只考虑轮胎整体的宽度和直径,不考虑轮胎的结构材质等其他因素的影响。在保证安全的情况下,汽车通常不会在深度超过轮胎半径的积水中行驶,故在该计算部分中默认积水深度不大于轮胎半径。

参考图2,计算轮胎浸没于积水中的体积:

v3=v1-v2

其中,h为路面积水深度,d1为汽车轮胎的直径,w为汽车轮胎的宽度s1为辅助线cd的长度,s2为辅助线ad的长度,v1为acbe部分轮胎体积,v2为acbd部分轮胎体积,a为∠acd的角度,v3为轮胎浸没于积水中的体积,具体见图2。

参考图3,汽车行驶的速度为v0,汽车轮胎运动的线速度为v1,可得v0=v1,轮胎在积水中的浸没部分前进一个身位,即从bc移动到ab具体见图3,计算所需要的时间t:

其中c1为轮胎浸没部分圆弧长度,计算方法为:

在汽车一般行驶速度下,t通常极短,在时间t内可将轮胎前进时对积水的作用视为均匀地向两侧排开,单侧排开水的体积为轮胎在积水中浸没体积的1/2,故在此条件下,计算轮胎靠路面一侧排开积水的速度为:

其中,v2为积水波动的流速。

底流消能结构的参数计算;

计算消力池5深度为d:

d=σh1-h2-δz

其中,σ为淹没系数,取1.05-1.10;h1为进水口2斜坡3末端收缩水深的共轭水深即跃后水深;h2为井内监测设备7处水深,δz为出池水位落差。

其中,h3为斜坡3末端的收缩水深即跃前水深;α为水流的动能校正系数取1.00-1.05;q为进水口2的单宽流量;g为重力加速度,取9.81m/s2;b1、b2分别为消力池5前后端宽度。

其中,e0为消力池5底起算的积水总水头,为流速系数,取经验值0.95。

其中,q为进入监测井1的流量,b0为监测井1进水口2宽度。

q=v2·b0·h0

消力池5长度的计算:

lsj=ls βlj

lj=6.5·(h1-h3)

其中,lsj为消力池5长度,ls为斜坡3的水平长度,β为水跃长度校正系数,β取0.7-0.8;lj为水跃长度。

基于消力池5结构参数、消力池5首端流速和消力池5末端流速,计算消力池5的消能效率,具体包括:

令消力池5首端为第一断面4,消力池5末端为第二断面6,则水流在进入消力池5前的总能量即第一断面4处的能量为:

其中,vi为断面1处的流速,同理,水流在流出消力池5前的总能量即第二断面6处的能量为:

其中,vj为断面2处的流速。

根据水流的连续性方程:

b1vih3=b2vjh1

计算消能效率为k:

根据本申请的一个实施例,在城市道路上主要为轿车、越野车和suv,一般行驶速度为20-60km/h,根据车型不同轮胎尺寸标准一般在155/65r13-295/30r20范围之内。在计算验证过程中汽车行驶速度取平均值40km/h,汽车轮胎尺寸经过参数折算,宽度在155-295mm之间,取平均值225mm,直径在431-597mm之间,取平均值514mm。路面积水取15cm,即一般情况下汽车行驶路面到人行道的高度差。

经过计算,理想状态下汽车轮胎排开水的体积v3约为0.011m3,排开积水的流速为v2=2.163m/s。根据设计监测井1进水口2的宽度为0.5m,高度为0.05m,由此计算得进入监测井1流量q为0.054m3/s。

首先假定底流消能结构中的消力池5深度为0.05m,进行底流消能结构计算。消力池5底起算的积水总水头e0为0.389m,此处动能校正系数α值取1、流速系数取经验值0.95,计算得收缩水深h3为0.041m(此处方程有三个解,选取符合实际情况的值作为最终解),将结果代入计算得到跃后水深h1为0.186。假设监测设备7处水深h2为0.05m,出池水位落差δz计算结果为0.029m。由此计算得到消力池5深为0.046m,相比设计值0.05m较小,说明设计较为合理。后经计算得到消力池5长度(包含斜坡3)为0.75m。

将上述计算结果代入消能效率计算过程进行验证,水跃前第一断面4处的水能为0.480m,水跃后第二断面6处的水能为0.189m,消能效率为61%,则认为本发明结构可以有效降低和削弱积水波动的影响。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

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