03-3排水管系中的水-气流动规律

返回本章总目录返回本书总目录前进后退第3章建筑内部排水系统3.3排水管系中的水、气流动规律返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征由于污废水中可能含有各种固体杂质，管道内实际上是气、水、固体三相流动。一般情况下固体杂质所占的排水体积比较小，为简化分析，可认为排水管道内为气、水两相流动。而且建筑物内各个卫生器具排放污水的时间是随机的，因此建筑内部排水管道中的水流现象比较复杂，排水管系统的主要特点如下：返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征１．水量变化大各种卫生器具排放污水的状况不同，但一般规律是排水历时短，瞬间流量大，流量变化幅度大，高峰流量时可能充满整个管道断面。管道不是始终充满水，流量时有时无，时小时大。在大部分时间内管道中可能没有水或者只有很小的流量。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征２．气压变化幅度大当卫生器具不排水时，排水管道中是气体，通过通气管与大气相联通.当卫生器具排水时，如瞬间排水量比较大，管道内的气压会有较大幅度的变化。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征３．水流速度变化大建筑内部污水排放的过程中，水流方向和速度大小都发生改变，而且变化幅度很大。污水排放顺序:从卫生器具横支管由横支管排水立管由立管排水横干管室外立管最底部水流进入排水横干管时，水流突然改变方向，速度骤然减小，同时发生气水分离。横管与立管交替连接水流由横管流入立管中时，水流在重力作用下加速下降，气水混合。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征４．事故危害大室内污、废水中含有部分固体杂质，容易使管道排水不畅，堵塞管道，造成污水外溢，污水通过卫生器具或地漏溢出，污染室内环境；另一方面，管道内排水不畅或气压波动时，有毒有害气体可能排入室内，将使室内空气恶化，直接危害人体健康，危害比较大。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.1建筑内部排水流动特征由于排水管系的水流运动很不稳定，压力变化大，排水管中的水流物理现象对于排水管的正常工作影响很大。为了合理的设计室内排水管道系统，既要保证排水系统的安全运行，又要尽量使管线短、管径小、造价低，需要对建筑内部的排水管道中的水气流动现象进行认真的研究，以保证设计合理、运行正常。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.2水封的作用及其破坏１．水封的作用利用弯管内存有一定高度的水，所形成的静水压力抵抗排水管内气压变化，以防止排水管内有害气体进入室内的措施。水封通常由存水弯来实现常用的管式存水弯有：P形和S形两种存水弯中的水柱高度h称为水封高度。存水弯靠排水本身的水流来达到自净作用。P形S形返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.2水封的作用及其破坏建筑内部各种卫生器具的水封高度一般为50～100mm。水封高度过大：抵抗管道内压力波动的能力强，但自净作用减小，水中的固体杂质不易顺利排入排水横管。水封高度过小：固体杂质不易沉积，但抵抗管内压力变化的能力差。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.2水封的作用及其破坏２．水封破坏排水系统中水封是比较薄弱的环节，常常因静态和动态原因造成存水弯内水封高度减小，不足以抵抗管道内允许的压力变化值时（±25mmH2O），管道内气体进入室内的现象叫水封破坏。在一个排水系统中，只要有一个水封被破坏，整个系统的平衡就被打破。FLASH:水封破坏的动态演示点击播放返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.2水封的作用及其破坏水封的破坏与存水弯内水量损失有关。水封水量损失越多，水封高度越小，抵抗管内压力波动的能力越弱。水封水量损失的主要有以下三个原因：自虹吸损失诱导虹吸损失静态损失返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态１．横管内水流能量竖直下落的污水具有较大的动能，进人横管后，由于改变流动方向，流速减小，转化为具有一定水深的横向流动，其能量转换关系式为：式中v0——竖直下落末端水流速度，m/s；he——横管断面水深，m；v——水深为he时的水流速度，m/s；K——与立管和横管间连接形式有关的能量损失系数。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态２．水流状态根据实验研究，污水由竖直下落进入横管后，横管中的水流状态可分为急流段、水跃及跃后段、逐渐衰减段。急流段水流速度大，水深较浅，冲刷能力强。急流段末端由于管壁阻力使流速减小，水深增加形成水跃。横管内水流状态示意图在水流继续向前运动的过程中，由于管壁阻力，能量逐渐减小，水深逐渐减小，趋于均匀流。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态３．管内压力竖直下落的大量污水进入横管形成水跃，管内水位骤然上升，以至于充满整个管道断面，使水流中挟带的气体不能自由流动，短时间内横管中压力突然增加。(１)横支管内压力变化排水横支管内压力的变化与排水横支管的位置（立管的上部还是下部）和是否还有其他横支管同时排水有关。分三种情况分析横支管连接A、B、C三个卫生器具，中间卫生器具B突然排水时，横支管内压力的变化情况。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态下图为立管内没有其他排水情况下，横支管内流态和压力变化示意图。排水横支管承接各卫生器具的排水，直接与各个卫生器具的器具排水管连接。以横支管接三个坐式大便器为例，分析当卫生器具排水时，横支管内压力变化情况。可能出现正压喷溅可能出现负压抽吸横支管内的压力变化图DCBADCBA返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态当中间卫生器具B排水时，瞬间形成大流量，水流进入排水横支管时，呈八字形向两侧流动，在其前后管内形成水跃，并有可能在局部、短时间内充满管道。AB和BC段内气体受到压缩，管道内形成正压，从而使卫生器具A和B的存水弯中的水面上升，见横支管内的压力变化图(a)，这种管内局部形成正压，使存水弯中的水面上升的现象为回压，如果压力波动较大，还可能出现正压喷溅，引起水封破坏。随着卫生器具B的排水量减少，横支管中的水流在管道坡度的作用下，向D点作单向流动，A点处形成负压抽吸，存水弯中的水面下降，见横支管内的压力变化图(b）。返回本章总目录返回本书总目录前进后退有其他排水时上部横支管的流态与压力变化排水初期排水末期DCBADCBA返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态如B点流量比较大，水流充满整个管道断面，向D点流动，在C点处也可能形成负压抽吸，造成C点存水弯水面下降；另外如果此时立管上还有其他卫生器具排水，大量水流沿立管下降，把D点封闭，则AB段和BC段内的气体都不能自由流动,污水下落的速度比较快，动能大，压力降低，则可能导致横支管上连接的存水弯产生负压抽吸。负压抽吸和正压喷溅现象都是由于管道内的压力变化引起的，都有可能造成水封被破坏。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态卫生器具排水特点：历时短、流速大、来势猛，形成冲激流。由于：生活污水排水管道设计有足够的充满度，可容纳形成冲激流时的高峰负荷，并且水流速度大，一般不会从卫生器具存水弯冒水；同时冲激流对横支管中的沉积物具有很强的冲刷作用，可将固体杂质随污水一起从管道中排除，有利于横支管排水。因卫生器具距横支管的高差较小（小于1.5m）污水在B点的动能小，形成的水跃低。所以排水横支管自身排水造成的排水横支管内的压力波动不大。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态首层单独排放排水系统没有通气立管时，在设计中规定：最底层横支管与地下横干管中心线的间距应有一个最小高度H。否则最底层或排水立管的汇合层的横支管要单独排放。仅设置伸顶通气管时，最低排水横支管与立管连接处距排水立管的管底垂直距离，不得小于下表中规定H返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.3横管内水流状态最低排水横支管与立管连接处距排水立管的管底垂直距离从上表中可以看出：高层建筑中的底层排水横支管一般都要单独排放。立管连接卫生器具的层数（层）≤45～67～1213～19≥20垂直距离（m）0．450．751．203．006．00返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态１．排水立管水流特点：(１)断续的非均匀流；(２)水气两相流；(３)管内压力变化大。排水立管和横干管内压力分布示意图点击查看返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态２．水流流动状态部分充满水的排水立管中，水流运动状态的影响因素：排水量、管径、水质、管壁粗糙度、横支管与立管连接处的几何形状、立管高度及同时向立管排水的横支管数目……排水量和管径是主要因素（通常用充水率α表示）。充水率α：指水流断面积At与管道断面积Aj的比值。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态２．水流流动状态实验研究发现：单一横支管排水，立管上端开口通大气，立管下端经排出横干管接室外检查井通大气的情况下，随着流量不断增加，立管中水流状态主要经过：附壁螺旋流、水膜流和水塞流三个阶段。排水立管水流状态图点击查看返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态(１)附壁螺旋流由于排水立管的管道内壁粗糙，水流对管壁的附着力大于液体分子之间的内聚力，因此当排水量比较小时，水流不能以水团的形式脱离管壁坠落，而是沿着管壁向下流动，由于管壁的粗糙对水流的摩擦阻力作用，水流是沿着管壁呈螺旋形向下加速流动的，因螺旋运动产生离心力，使水流密实，气液界面清晰，水流挟气现象不明显。其结果是：螺旋流状态下，水流没有充满整个管道断面，管道中心气流正常，水流下降时，不影响立管中的气压变化，管内气压稳定。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态(２)立管排水量增大——薄膜流排水量进一步增加，空气阻力和管壁的摩擦力共同作用，水量增大到足够覆盖住管壁时，水流由螺旋形向下运动变成沿着管壁呈有一定厚度的薄膜状，加速向下运动。此时水流没有离心力作用，只受水流重力和管壁摩擦阻力影响。气水界面不明显，水流向下运动时有挟气现象。此时排水量较小，管道中间的气流仍然可以正常流动，立管中的气压变化不大。这种状态历时比较短。薄膜流状态时，水流的断面积与管道断面积的比值，一般小于四分之一。随着流量进一步增加，水流的断面积增大，很快就过渡到下一个状态。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态(３)等速水膜流随着水流下降速度的进一步增加，空气阻力和管道壁面摩擦力共同作用，水流沿管壁下落，形成有一定厚度带有横向隔膜的附壁环状水膜流。上部横向隔膜和附壁环状水膜流一起向下运动，但两者的运动方式不同。环状水膜流形成以后比较稳定，水膜下降速度与水膜的厚度近似的成正比。返回本章总目录返回本书总目录前进后退3.3排水管系中的水、气流动规律3.3.4立管中水流状态(３)等速水膜流当水膜向下运动时，受到向上的管壁的摩擦力与向下的重力。两者平衡时，水膜向下运动的加速度为零，即水膜的下降速度不再变化，一直以该速度下降到立管底部不再变化，水膜的厚度基