摘要：上海中心大厦建筑高度580 m，塔冠高度632 m。塔楼屋面采用87斗屋面雨水系统，裙房屋面采用虹吸式屋面雨水系统。87斗雨水系统的流态特殊，使其在超高层屋面雨水系统的运行工况介于典型的重力流和虹吸满管流之间，随着降雨量的增大，局部管段会出现水塞流，形成数米乃至数十米的满管水柱。因此，单靠增加雨水系统的阻力难以达到消能的效果，超高层建筑屋面雨水的重力势能在雨水系统的出户管上转化为巨大的流速水头（动能），雨水对出户检查井产生很大的冲击力并在检查井中水气分离。为解决上海中心大厦屋面雨水的消能问题，采用CFD模拟技术对检查井和消能池中气水两相流的工况进行计算机数值模拟，以评判检查井和消能池的消能效果和排气效果，为系统设计提供技术支持。
0前言
上海中心大厦地处上海市浦东新区陆家嘴金融贸易中心核心地块，银城南路以北、银城中路以东、花园石桥路以南、东泰路以西。紧邻金茂大厦和上海环球金融中心，是目前中国在建的最高楼及上海最高楼。基地面积30370 m2，总建筑面积约57.4万m2。建筑高度580 m，塔冠最高点为632 m。建筑由地下5层、地上可使用楼层121层（含设备层128层）组成。
塔楼屋面采用87斗雨水排水系统，设计重现期10年，排水系统与溢流的合计重现期为100年，溢流形式为溢流口。考虑到对于上海中心高达600 m的超高层来说，若屋面雨水立管仅在设备层进行横管转折、消去部分动能后再排入室外检查井，势必会对检查井造成巨大的冲击和破坏。对此，塔楼雨水系统利用66层雨水回用系统的收集水箱作为减压水箱；当66层雨水收集、回用系统的雨水收集水箱满水时，雨水通过66层雨水溢流槽内设置的87斗雨水系统排至室外雨水系统。当面临超重现期降雨时，因雨水回用收集水箱调蓄流量不可控，而屋面下来的雨水流量大，溢流槽内的87斗系统仍然有形成局部满管流的风险。66层（该层建筑标高为308 m）溢流槽内的87斗系统是否可以直接接入室外雨水检查井？尤其是当超重现期雨水进入溢流槽87斗系统形成半有压流甚至满管流时，对出户检查井又能造成多大的动能冲击？若改用消能池其水力情况又会如何？
对此，本课题引入计算流体力学VOF模型，对66层下来的雨水溢流管进入雨水检查井和消能池后的情况构建数值模型，进行模拟研究，藉此分析检查井与消能池抗超高层建筑雨水系统动能能力和消能效果。
1工程概况
1.1塔楼雨水系统简介
上海中心大厦塔楼屋面雨水排水采用87斗雨水排水系统，塔楼雨水正常情况下通过2根DN200重力雨水管（YL0-1和YL0-2）排至设在66层雨水收集、回用系统的雨水调节、蓄水水箱，回收利用；同时，该蓄水箱也兼作塔楼屋面雨水排水系统的消能水箱。当66层雨水蓄水箱蓄满后，超过设计重现期的雨水经蓄水箱溢流至66层雨水溢流槽，溢流槽内设有2套87式雨水系统，通过YL0-1和YL0-2两根DN200雨水管排除溢流雨水。塔楼87式雨水系统部分原理见图1。
塔楼屋面雨水排水系统按10年重现期雨水量考虑，排水系统与溢流的合计重现期为100年，溢流雨水设计为溢流口排出。塔楼总汇水面积3280 m2，吸式屋面雨水系统。裙房屋面雨水排至B5层雨水收集、处理系统，当B5层的雨水回用蓄水池均处于满池工况时，通过管路上设置的电动阀的启闭，切换虹吸雨水走向，关闭雨水蓄水池进水，虹吸雨水改变走向排放至B1层设置的5个溢流井（该溢流井主要用于接纳裙房屋面虹吸雨水）后再接至室外检查井。该溢流井兼作消能池的作用，66层溢流槽内下来的雨水溢流管也可接入这5个消能池中的任意2个经计算得出10年重现期降雨量为182 L/s，100年重现期降雨量为258 L/s。考虑到极端情况下，塔楼下到66层雨水蓄水箱的雨量很大，而回用水箱可控流量达到最大值时，溢流槽内雨水系统须承受10年重现期的雨水量，YL0-1（或YL0-2）主楼重力溢水管承担的雨水量达91 L/s。
本课题针对最不利的情况，即溢流槽内雨水系统若经历100年重现期雨水量的冲击，即单根溢流槽雨水管承担近130 L/s的雨水量，该雨水系统可设计为直接接入室外雨水检查井还是应先引入消能池消去巨大的动能？对此，引入计算流体力学VOF模型，对66层下来的雨水溢流管进入雨水检查井和消能池后的情况构建数值模型，进行模拟研究，考察雨水检查井与消能池抵抗超高层建筑雨水系统动能冲击能力和消能效果，分析消能池的消能效果和排气效果，为系统设计提供技术评判。
1.2塔楼溢流雨水管排出方案简介
66层溢流槽内87式雨水系统下来的2根溢流雨水管，其排出方案有2种：一种是于地下1层出户直接接入室外雨水检查井；另一种是经过消能处理后再排入市政雨水管网。
上海中心大厦于B5层设有雨水回用系统蓄水池，收集裙房屋面雨水处理回用，裙房屋面设置虹后再行出户。以3#消能池为例，该消能池接有裙房虹吸雨水管和雨水机房事故排水泵出水管，可考虑另接一根来自66层的雨水溢流管。3#消能池的构造及接入66层溢流雨水管道后的情况见图2。
当66层和B5层的雨水回用系统蓄水池均处于满池工况时，各管道进入3#消能池的设计流量见表1。本课题按100年重现期极端情况下的雨量分析系统的消能效果，虹吸雨水管、机房事故排水泵压力出水管按满管流设计，水的体积比通常定为95%；而66层下来的溢流雨水管，当溢流槽内雨水深度增大时，也有可能形成短暂的满管流，通常认为其水气比在80%左右。
2 VOF数值模型的建立和目标
本文截取雨水检查井或消能池及其进出水管段，按照本文1.1节及1.2节的设计雨水量，指定进出口条件，运用CFD数值模拟技术，采用VOF模型，观测雨水溢流管进入雨水检查井或消能池后，其井内压力（压强）数值变化以及井内的流态、气水分离效果。尤其是当暴雨强度过大时，塔楼重力雨水管有出现局部满管流的情况，会对雨水检查井/消能池造成冲击，以井内流态和压力场等作为考察目标，可对此种极端情况进行预测和模拟，分析检查井和消能池是否可抵抗超高层雨水动能冲击的可能性，以及最终比较、选定雨水消能池的构造及是否需要设置通气管，进而评判通气管大小对消能效果的影响。
2.1VOF数值模型简介
VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的表面追踪方法，适用于具有一种或多种互不相溶流体间交界面的情形。在VOF模型中，不同的流体组分共用一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各组组分占有的体积率或体积分数，尤其适合于具有自由面流动的模拟。
2.2几何模型的建立
2.2.1检查井几何模型的建立
按照国家标准图集《排水检查井》（02S515）选用700的圆形检查井和700 mm×700 mm的矩形井两种检查井构建几何模型，井高H设为1 200 mm。进水管按照上海中心66层溢流雨水管管径设为D1=200 mm，排出管管径设为D2=400 mm。本次模拟除研究雨水检查井内流态和压力流速等的变化情况外，还需要对比有无通气管的差别，所以须建立有无通气管两类模型，其他尺寸参数均一样。对于设置通气管的检查井，井盖处按轴对称的方式设置4个100的通气管。值得注意的是，实际工程中的检查井井盖通常设置通气小孔，CFD模拟运行工况时为简化模型计，改为设置4个DN100的通气管替代实际工程中设置的通气小孔，但这并不会影响模拟结果（下文同）。两类模型共4种雨水检查井，如图3所示。
由于雨水检查井有多根圆形进水管，且设置在不同侧，加上有通气管雨水检查井更是多出4根圆形通气管，所以为简化模型及方便计算考虑，模型采取非结构网格，进水管与出水管以及通气管界面进行网格加密，面网格使用三角形网格，体网格使用四面体网格。模型网格的建立结果见图4。
2.2.2消能池几何模型的建立
类似的，笔者建立了两类形式雨水消能池的模型，两模型之间除了通气管的设置与否外（为进一步分析通气管断面面积对消能池的消能效果影响，笔者对通气管管径选用DN200、DN250、DN300共3种带通气管的消能池进行模拟），其他尺寸参数均一样。两类模型见图5。
消能池模型采取非结构网格，进水管与出水管界面进行网格加密，面网格使用三角形网格，体网格使用四面体网格。模型网格的建立结果如图6所示。
2.3模型边界条件和参数
模拟一开始所有进口不设置压力，都为速度进口，各雨水管均设置为满管流，但此满管流暂不加压，这是为了检验最大流量时雨水检查井/消能池的流态和运行状况，此外还可以减少模拟达到稳定运行的时间。
雨水检查井和雨水消能池分别运行模拟进行至20 s和60 s后，把塔楼重力雨水管YL0-1改成压力入口，模拟有满管段进入雨水检查井或消能池时的加压状态，设置压力值为0.20 MPa，模拟20 m高度水柱进入检查井或消能池。
实际运行中，若雨水检查井或消能池的重力雨水管有20 m高的满管水柱进入时，流量会迅速增大，进口压力并非不变，随着满管段水柱逐步进入检查井或消能池，进口压力会迅速减小，即在满管段水柱刚进入雨水检查井或消能池时压力最大，之后逐渐减少，至满管段全部进入后恢复正常，完全进入雨水检查井或消能池所需的时间需根据流量、流速而定。由于87斗系统中满管水柱的形成充满不确定性，模拟很难完全依照真实情况，本次加压模拟，维持0.2 MPa压力进口时间10 s，即相当于满管段始终维持20 m水柱不减少共10 s，其工况比真实情况对雨水检查井或消能池冲击更大，可充分检验雨水检查井或消能池的安全性。
3模拟结果分析
3.1雨水检查井模拟结果分析
3.1.1未加压时雨水检查井模拟结果分析
图7为两类共4种雨水检查井不加压运行至20 s时的井内流态和流线图。从流线图可知，雨水检查井内，进水管进入井体后，空气与雨水迅速气液分离，分别于井内顶部和排出管处形成复杂的涡旋流动。相比无通气管检查井而言，有通气管检查井内的空气在井顶部形成涡旋后，除部分空气经排出管排出井外，大部分经通气管排出井外，避免了大部分空气重新进入水体通过排出管排出，对井内液面扰动较小。
进一步分析设或者不设通气管两类雨水检查井井盖顶部的压力情况。从模拟结果可知，因为是重力管零压进水，进水管水流对检查井顶部的作用压力均不大，基本维持在接近大气压的水平，但无通气管检查井顶部的气压相比有通气管检查井，峰值压力仍然相对较大。对两类共4种检查井的顶部平均静压值，作图8。通过图8可以直观地看出，有通气管雨水检查井（矩形井、圆形井）顶部压强均接近于0，而无通气管检查井顶部压强虽仍接近大气压，但已有数量级的提升，达到几十到几百帕数量级，圆形检查井和矩形检查井的峰值压力更是接近2 kPa。
3.1.2加压0.2 MPa时雨水检查井模拟结果分析
在进水管加压0.2 MPa后，即模拟超设计工况下形成20m持续满管段进入检查井时，两类形式的检查井井内都迅速形成气液混合流态，甚至不能确定雨水和空气自由界面位置，有通气管的情况会出现水体从通气管大量排走的现象,如图9所示。
在消能减压方面，截取模拟运行数据可知：两类共4种检查井均能起到一定程度的效果，20 m满管段带来的高压在刚进入井体后会立即消除（见图10），随后会对冲刷面形成35～60 kPa的平均峰值压力，其中无通气管圆形检查井、有通气管圆形检查井、无通气管矩形检查井、有通气管矩形检查井Y1冲刷面（定义进水管正对着的检查井截面为Y1冲刷面，下文同）承受的平均峰值压强分别为：60 kPa、50 kPa、45 kPa、35 kPa。两类雨水检查井，均是有通气管的冲刷面压强比无通气管冲刷面压强低10 kPa级左右，但两类检查井的冲刷面均长时间面临进出口横截面压力分布高压冲击。
进一步对比分析检查井顶部处的气压值，截取模拟数据，分别对比无通气管圆形雨水检查井、有通气管圆形雨水检查井、无通气管矩形雨水检查井和有通气管矩形雨水检查井4种检查井平均静压值，作图11。通过图11可以直观看出，设通气管矩形检查井顶部静压值较之其他3种检查井顶部静压有明显降低，尤其是较之不设通气管的圆形检查井顶部静压值大为降低，前者静压值基本为后者的1/2（17.5 kPa级）。设通气管的圆形检查井相比不设通气管的圆形检查井，前者压力在20 kPa级附近波动，而后者在30 kPa级左右变化，且后者长时间维持在高压状态。不设通气管的矩形检查井，其顶部压力在0～5 s时段内与设通气管的圆形检查井类似，维持在20 kPa级左右，但在6～10 s的时段内要明显高于设有通气管的圆形检查井，其顶部压力维持在25 kPa级。
3.2雨水消能池模拟结果分析
3.2.1未加压时雨水消能池模拟结果分析
模型运行结果发现，两类共4种雨水消能池在未加压模拟进行到60 s时井内已经达到稳定运作状态，进出水达到平衡。图12是该工况下4种雨水消能池内流态。
笔者对0～60 s的4种雨水消能池的流态观察得知，设置300 mm管径通气管的雨水消能池运行流态，与设置250 mm管径通气管的雨水消能池流态相似，10 s内相对于设置200 mm管径的通气管有较大的液位提高（略高0.2 m左右），但30 s后液位相差不大，最后都稳定在3.4 m左右；而不设通气管的消能池液位稳定在3.2 m左右。从图12还可看到，设有通气管的3种雨水消能池，大部分空气通过通气管排出，相比不设通气管的消能池，排出管空气含量较少，进一步截取模拟数据可知前三者排出管含水量为90%以上，而不设通气管的含水量为80%～90%。
因为是零压进水，消能池顶部气压值均不高，但不设通气管的气压值在数量级上还是远高于设有通气管的3种消能池。截取雨水消能池运行至60 s时的顶部平均压强报告，不设通气管、设有DN200通气管、设有DN250通气管、设有DN300通气管的消能池顶部压强分别为：948 Pa、5.4 Pa、4.2 Pa、2.0 Pa。
3.2.2加压0.2 MPa时雨水消能池模拟结果分析
模拟加压运行10 s时，各消能池内流态如图13所示。
加压0.2 MPa后，无通气管雨水消能池内液态有明显的扰动，液位有所上升，排出管水占体积比较低，维持在80%左右，有气体排出。而设置DN200通气管的消能池排出管仍为满管流排出，相比不设通气管，仅夹杂少量气体积聚排出，通气管只有气体排出。
进一步分析两类消能池的消能效果，图14为两类雨水消能池加压0.2MPa到10 s时的进出口横截面压力分布，从图中可以看出，YL0-1进水口的压力基本在进入井体以后就立即被消去，正对进水口的冲刷面又重新出现高压。进一步截取Y1冲刷面0～10 s内的静压值，不设通气管消能池的冲刷面最大静压为39 kPa，超过井底静压，平均静压为15 kPa。设置DN200通气管消能池的冲刷面最大静压为34 kPa，约等于井底静压，平均静压为12 kPa。
从模拟结果来看，因重力流雨水管加压0.2 MPa对消能池冲击情况有限，设200 mm管径通气管雨水消能池已具有较好的消能减压效果，故不再对设250 mm和300 mm管径通气管时的消能池进行模拟。
动水头方面，无通气管情况下YL0-1进水在井内流速相对较大，井体过渡消能效果相对稍微不如有通气管的情况（见图15）两类消能池进出口横截面流速矢量）。无通气管的情况出水流速略高于设200 mm管径通气管的情况。
两类消能池顶部处的气压对比，可根据消能池顶部0～10 s平均静压值，作图16。通过折线图可以直观看出，设有DN200通气管消能池顶部气压与无通气管情况相比有明显区别，有通气管时井内空气连通外部大气，气压较低，无通气管的情况最高平均压强可达7.5 kPa。
3.2.3加压0.5 MPa时雨水消能池模拟结果分析
如前所述，0.2 MPa约为20 m水柱产生的压力，这种工况对设有通气管的消能池冲击并不是很大。为进一步探究消能池抗超高层建筑雨水系统巨大动能的能力，笔者把塔楼重力雨水管YL0-1再次压力进口，压力设置为0.5 MPa，探究约50 m水柱对消能池的冲击工况。这种工况是否会出现目前还没有试验观察到或相关报道，理论上出现这种工况的概率很低。模拟50 m满管段产生压力对消能池的影响和冲击，基本上可以看作是最不利工况的模拟。除进口压力增加至0.5 MPa外，其他模拟条件和前提与加压0.2 MPa时相同：模拟压力0.5 MPa维持10 s不变，水占体积比80%，视作满管流。
模拟加压0.5 MPa至10 s后，两类共4种消能池内流态变化见图17。
无通气管消能池加压0.5MPa后扰动剧烈，排出管水占体积比较低，有气体排出，排出管流态非常不稳定。设置DN200通气管的消能池井内流态同不设通气管的消能池类似，液位由于扰动剧烈而不能辨识。设置DN250和DN300通气管的消能池内流态也有明显扰动，但勉强能辨识液位高度，相比设DN200通气管，井内流态已有较大改观。
进一步分析两类消能池的消能效果，图18为两类雨水消能池加压0.5MPa到10 s时的进出口横截面压力分布，从图中可以看出，YL0-1进水口的压力基本在进入井体以后就立即被消去，正对进水口的冲刷面又重新出现高压。进一步截取Y1冲刷面0～10 s内的静压值，不设通气管消能池的冲刷面最大静压为76 kPa，远超井底静压，平均静压为18 kPa；设置DN200通气管、DN250通气管、DN300通气管的消能池的冲刷面最大静压分别为75 kPa、38 kPa、53 kPa，平均静压分别为15 kPa、15 kPa、15 kPa。可见，无通气管雨水消能池和设DN200通气管雨水消能池，其Y1冲刷面均受到的最高静压可达75 kPa级，超过7 m水柱水压，对井体壁面有一定的冲刷影响，此冲刷作用的大小对于有无通气管两种情况差别不大。但对于设DN250通气管和设DN300通气管消能池来说，从运行数据来看，Y1冲刷面均没有受到长时间过高压力作用，基本维持在30～40 kPa，略高于液位产生的静水压力，井体壁面能承受此压强；但在局部时段，有较高压强产生，如设DN250管径通气管有出现38 kPa最高压强，而设DN300管径通气管也有53 kPa的最高压强出现。较之设DN200管径通气管，冲刷压强有了一定程度的降低。
动水头方面，无通气管情况下YL0-1进水在井内流速相对较大，井体过渡消能效果相对不如有通气管的情况（见图19）四种形式消能池进出口横截面流速矢量）。无通气管的消能池出水流速高于有通气管的消能池。
两类消能池顶部处的气压对比，可根据消能池顶部0～10 s平均静压值，分别对比不设通气管、设DN200管径通气管、设DN250管径通气管和设DN300管径通气管4个消能池静压数值，作图20。通过折线图可以直观看出，设DN250管径和DN300管径通气管消能池顶部静压值较之设DN200管径通气管消能池顶部静压有明显降低，尤其是较之不设通气管的消能池顶部静压值大为降低，前两者峰值均不到3 kPa，且大部分时段维系在1 kPa以下；而后两者气压波动较大，设DN200管径通气管峰值接近于8 kPa，不设通气管压强峰值更是接近13.6 kPa，且在较长时段内维持在高压状态。顶部高压是引起消能池井盖顶起及雨水溢出的主要原因。
4结论
（1）雨水检查井在接入上海中心大厦塔楼雨水溢流管后，即模拟加压0.2 MPa时，从检查井井内流态、冲刷面压强、检查井顶部压强等几个指标来看，设有通气管的矩形检查井消能效果相对较好。但其井内流态依然扰动剧烈，液面难以辨识；冲刷面压强均远超井底静压；井顶部平均压强甚至达数十千帕。
本课题主要考察最不利情况下立管有可能形成的局部满管流后对检查井造成的巨大动能冲击情况，从安全的角度来看，即便是消能效果较好的设有通气管的矩形检查井，其消能效果也明显不如未设通气管的消能池，可见雨水检查井并不适合直接接入上海中心这种超高层的塔楼屋面雨水管。
（2）从消能池的模拟情况来看，设DN250和DN300管径通气管的雨水消能池在冲涮面冲刷压强、水井顶部压强、以及消能池内流态方面均没太大差别，但相比设DN200管径通气管的消能池尤其是不设通气管消能池的运行工况却有明显改观，在消能池顶部压力方面更是有数量级的降低，可以说上海中心大厦现有设计的消能池，其几何尺寸和容积均能满足消能的需要。
（3）结合模拟结果，上海中心大厦来自66层的雨水溢流管进入3#雨水消能池后进行消能处理时，设置的通气管管径不能小于DN250。