排水管系中的水气流动的物理现象 - 建筑给水排水

一、水封及水封破坏

二、排水横管中的水、气流动

        水流流态和基本特征

图1 横支管内压力变化

        1、冲激流
        水流特点：历时短，流速大，来势猛，尤其是大变器的支管上更明显。
        现象：形成水跃，使水面壅起，短时间充满管道断面，流速增加，动能亦增加。这种不稳定的非均匀流——冲激流。一定时间后水面下降，流速下降。
        结论：冲激流虽然在短时间内形成高峰流量，但由于设计充满度的考虑，使管道有足够的空间容纳高峰流量，且v↑，故不会冒水。
        冲激流以较高的流速冲刷沉积物，有利于排水支管的排水功能。

        2、压力变化
        （1）横支管
        排水管——非满流，给空气留有自由空间，冲激流状态下，排水点处形成水塞，使空气不能自由流动，引起压力波动，如：
        ①B点大量排水，形成水塞，充满管道，AB管段气体受到压缩，压力升高，正压，BD段气体受压缩，形成正压，使存水弯中水层上升直至破坏，称正压喷溅。
        ②随水流排出，AB管空气随水流流走，且由空间增大而变扩疏，形成负压，抽吸A存水弯中的水层，使之下降，甚至全部流失。当满流水流至C点，会因惯性抽吸C点水层水，使之下降，甚至全部抽走——抽吸
        冲激流引起正压负压变化，不利于排水横支管正常工作。

        （2）横干管
        注意：对多层建筑地下横管来说所，当立管排来水量过大时，在立管底部产生强烈的冲激流，此时参混在水中的气体受阻不能自由运动，受到强烈的使管内压力增加，形成正压区，严重时,将污水从底层卫生器具存水弯中反喷出来，因此在无专用通气立管时，设计时应将底层横支管与地下横管中心线距离应有最小高度。
        5~6层0.75m（低）；7~9层3m；20层6m。
        且规定立管底部距横支管水平距离不得小于1.5m。

三、排水立管中的水、气流动

图2 立管水流状态

        1、立管中水气流的基本特征
        ①断续的非均匀流；
        ②水气两相——部分充满水，水流夹气；
        ③形成气压核心——水流中空部分包卷着气体（水包气）引起压力变化

        2、立管中水流运动的三个阶段

        ①附壁螺旋状态流
        流量小时，水流附着管壁作螺旋运动（因水流受到管壁摩擦阻力），空气可以自由流通，气压稳定为大气压。
        ②水膜流
        水流增加到足以覆盖住管壁，管壁的吸附力大于水的表面张力，使水流附着在管壁作片状的水膜流状态下落。
        水膜流具有二个主要特征：
        a、会形成短时间的水塞——隔膜流，但管道中有足够的空气量可以冲破水塞，使之继续作水膜运动，1/3~1/4充水率。
        b、水膜运动由变速运动到匀速运动
        水膜形成后作加速运动，膜的厚度与下降变速运动的速度成正比，在足够长的管段上，当重力与摩擦力相等时，不变，亦不变，此时的流速终限流速
        ③水塞运动
        当流量达到充水率1/3以上时隔膜流形成频繁，形成不易破坏的水塞，水塞引起立管气体压力激烈波动，形成有压冲击流，在其前方形成正压，后方则为负压，其数值足以对卫生器具水封产生回压及抽吸现象，不利排水工况。

        综上，对于一定的管径的立管，夹气水流的大小，决定着立管工况的优劣，因此必须把立管的水流流量控制在一定的范围内，以免在水流下降的过程中引起管道内压力的波动。立管的最适宜流量应在水膜形成的范围内，即充水率为1/3~1/4，此时，即充分发挥了立管的通水能力，而其压力波动又不至于太大（控制在允许范围内），立管设计流量负荷极限值，依此原则确定。

        3、排水立管中水膜流运动的动水力分析
        力学分析的目的：确定各种管径立管的通水能力。
        水膜——中空的圆柱体状
        若按自由落体其下降

        试验表明：立管内的水流并非作自由落体运动，而是在下降之初具有加速度，e与v成正比。水流下降一段距离后，当水流受到的管壁摩擦阻力P与重力W等平衡时，便做匀速运动α=0，不再变化。这种一直降落到立管底部保持不变的下落速度——终限流速。自水流入口到开始形成终限流速的距离，称为终限流速。
        根据牛顿第二定律，建立排水立管中水膜流动运动的微分方程式，按终限流速和终限长度的定义，并引入有关参数，经数学运算得：

        其中：
        v_t——终限流速（m/s）
        Q_u——污水立管下落的水流的流量（L/s）
        d_j——立管内径（cm）
        L_t——终限长度
        K_p——管壁粗糙高度（m），（新铸铁管 =25×10^-5m）

        分析：
        ①对DN100立管，当Qu=9l/s时，d_j=4m/s，当Q、v超过上述值时，立管中的水流为非水膜状态。
        ②DN100，Q=9l/s，Lt=3.0m，说明污水由立管经过3.0m降落后，流速v和e不变，流态稳定。表明横支管的排水在立管内引起了压立变化，不会对相邻层横支管的水封产生影响。
        水力学分析的目的：确定立管在压立允许波动范围内最大通水能力，提供立管设计依据，我们把下降的水膜视为一中空的圆锥体。取ΔL长度的基本小环，该脱离体在变加速下降过程中同时受到二个力的作用：

        ①重力↓ W=mg=Q×p×t×g
        ②摩擦力↑ P=τ×π×d_j×ΔL

        根据牛顿第二定律：

        其中：
        m——t时刻内通过该断面的水流质量（kg）
        g——重力加速度（m/s²）
        Q——下落水流流量（m³/s）
        ρ——水密度（kg/m²）
        t——时间（s）
        τ——水流内摩擦力，单位面积上平均切应力（N/m²）
        当v→v_t时，e→e_t，此时

        Kp——管壁粗糙高度（m）
        即d_v/d_t=0，将λ代入。
        终限流速：

        此时Q——L/s；d_j——cm。
        终限长度：

四、排水立管的设计负荷

        排水立管的允许通过的流量按水膜流计算，即按v_t和e_t确定其流量

        Kp——取25×10^-5m
        解：

        在前面分析中知：水膜流时，立管充水率为ω_t/ω=1/3~1/4（ω_t——过流断面，ω——立管断面)。

        当ω_t/ω=1/4时，

        即d₀=0.866d_j
        当d_j=100时，d=100，e_t=9.2mm

        上式告诉我们：虽立管径d=100， e_t=6.7~9.2mm管内绝大部分面积通气，而不是Q超过e_t压力波动。
        我国现行排水规范对排水立管临界流量=1/2呈水膜状态的通水能力原因：
        ①实验是新管，实际上使用一段时间后管道的粗糙度增加，即K↑，过流能力下降20~33%。
        ②实验是清水。