城镇供水管网是城市市政建设的重要组成部分,自来水通过管网系统输送给城市的每个用户。管网系统中,消火栓支管直接与供水管网相连,因不经常使用,管内存水较多,易形成长期滞水的盲端支管。盲端支管内的水容易与管壁发生反应,释放的铁元素随干管水流进入到主体水中最终到达用户龙头,是造成“红水”现象的主要原因之一。铁的含量过高会严重影响用水水质、居民健康和管网运行。现有水质控制方式为定期对消火栓进行放水,通过水流冲刷盲端支管内的污染物,但消火栓支管数量多,清洗工作量大,运行管理复杂,清洗周期长,容易造成水的浪费,给管网运行和水质安全带来极大挑战。消火栓盲端支管与干管的连接处可视为一种典型的空腔结构,在该结构中涉及剪切层失稳、旋涡的产生与发展、物质掺混等相关物理过程。计算流体力学通过离散化处理的数值方法,求解流体流动的控制方程组,从而对流体的运动规律进行研究。因此,本文通过几何建模、网格划分、网格无关性验证、构建数值模型、亚格子应力模型比选,采用大涡模拟的方法构建消火栓盲端支管铁扩散数值模型。设计并搭建消火栓盲端支管污染物迁移扩散实验平台,记录干管出口污染物浓度,对消火栓盲端支管铁扩散数值模型进行模型校核,结果显示模型精度符合要求。采用消火栓盲端支管铁扩散数值模型,以盲端支管下不同径深比、污染物浓度和来流雷诺数为控制参数进行计算分析,得到不同工况条件下盲端支管铁扩散量,结果表明径深比在1至0.1之间时,污染物的扩散量随径深比减小而减小,当径深比减小到0.05后,出口平均质量分配系数始终保持稳定。污染物浓度与扩散量呈明显正相关关系。低来流雷诺数时稳定后污染物扩散量大,高雷诺数阶段稳定后的扩散量较少。基于空腔流动理论,结合流线图和浓度分布云图对消火栓盲端支管铁扩散进行流场特性分析,结果表明盲端支管内铁扩散现象与流场涡旋结构密切相关,涡旋结构的位置、强度和所处范围污染物浓度决定了污染物扩散量大小。应用流体被动控制方法,在盲端支管前缘设置扰流器对空腔结构的流场进行控制,从而间接减少污染物的扩散。对消火栓盲端支管铁扩散控制模型进行建模和校核,校核结果显示基态数值模型的模拟值与实测值重合度较高,符合模型精度要求。在低雷诺数条件和高雷诺数条件下,固定倾斜角度,以扰流器高度为自变量对消火栓盲端支管铁扩散控制模型进行计算,并以此展开扰流器效果评估、趋势分析和机理研究。结果表明低雷诺数条件下,不同高度的扰流器均对污染物扩散具有控制作用,扰流器高度越高,控制效果越强。高雷诺数条件下,0.3δ和0.5δ高度的扰流器对污染物的扩散起反向促进作用或者控制作用不明显,1.0δ及1.0δ以上高度的扰流器对污染物的扩散起到明显的控制作用。对扰流器的控制机理进行研究,认为扰流器可通过抬高自由剪切层撞击盲端支管后缘的位置,对涡旋结构的位置、强度和所处范围污染物浓度产生影响,从而对污染物扩散行为进行控制。