一、水封及水封破壞

二、排水橫管中的水、氣流動

        水流流態(tài)和基本特征

圖1 橫支管內(nèi)壓力變化

        1、沖激流
        水流特點：歷時短，流速大，來勢猛，尤其是大變器的支管上更明顯。
        現(xiàn)象：形成水躍，使水面壅起，短時間充滿管道斷面，流速增加，動能亦增加。這種不穩(wěn)定的非均勻流——沖激流。一定時間后水面下降，流速下降。
        結(jié)論：沖激流雖然在短時間內(nèi)形成高峰流量，但由于設(shè)計充滿度的考慮，使管道有足夠的空間容納高峰流量，且v↑，故不會冒水。
        沖激流以較高的流速沖刷沉積物，有利于排水支管的排水功能。

        2、壓力變化
        （1）橫支管
        排水管——非滿流，給空氣留有自由空間，沖激流狀態(tài)下，排水點處形成水塞，使空氣不能自由流動，引起壓力波動，如：
        ①B點大量排水，形成水塞，充滿管道，AB管段氣體受到壓縮，壓力升高，正壓，BD段氣體受壓縮，形成正壓，使存水彎中水層上升直至破壞，稱正壓噴濺。
        ②隨水流排出，AB管空氣隨水流流走，且由空間增大而變擴(kuò)疏，形成負(fù)壓，抽吸A存水彎中的水層，使之下降，甚至全部流失。當(dāng)滿流水流至C點，會因慣性抽吸C點水層水，使之下降，甚至全部抽走——抽吸
        沖激流引起正壓負(fù)壓變化，不利于排水橫支管正常工作。

        （2）橫干管
        注意：對多層建筑地下橫管來說所，當(dāng)立管排來水量過大時，在立管底部產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖激流，此時參混在水中的氣體受阻不能自由運動，受到強(qiáng)烈的使管內(nèi)壓力增加，形成正壓區(qū)，嚴(yán)重時,將污水從底層衛(wèi)生器具存水彎中反噴出來，因此在無專用通氣立管時，設(shè)計時應(yīng)將底層橫支管與地下橫管中心線距離應(yīng)有最小高度。
        5~6層0.75m（低）；7~9層3m；20層6m。
        且規(guī)定立管底部距橫支管水平距離不得小于1.5m。

三、排水立管中的水、氣流動


圖2  立管水流狀態(tài)

        1、立管中水氣流的基本特征
        ①斷續(xù)的非均勻流；
        ②水氣兩相——部分充滿水，水流夾氣；
        ③形成氣壓核心——水流中空部分包卷著氣體（水包氣）引起壓力變化

        2、立管中水流運動的三個階段

        ①附壁螺旋狀態(tài)流
        流量小時，水流附著管壁作螺旋運動（因水流受到管壁摩擦阻力），空氣可以自由流通，氣壓穩(wěn)定為大氣壓。
        ②水膜流
        水流增加到足以覆蓋住管壁，管壁的吸附力大于水的表面張力，使水流附著在管壁作片狀的水膜流狀態(tài)下落。
        水膜流具有二個主要特征：
        a、會形成短時間的水塞——隔膜流，但管道中有足夠的空氣量可以沖破水塞，使之繼續(xù)作水膜運動，1/3~1/4充水率。
        b、水膜運動由變速運動到勻速運動
        水膜形成后作加速運動，膜的厚度與下降變速運動的速度成正比，在足夠長的管段上，當(dāng)重力與摩擦力相等時， 不變， 亦不變，此時的流速 終限流速
        ③水塞運動
        當(dāng)流量達(dá)到充水率1/3以上時隔膜流形成頻繁，形成不易破壞的水塞，水塞引起立管氣體壓力激烈波動，形成有壓沖擊流，在其前方形成正壓，后方則為負(fù)壓，其數(shù)值足以對衛(wèi)生器具水封產(chǎn)生回壓及抽吸現(xiàn)象，不利排水工況。

        綜上，對于一定的管徑的立管，夾氣水流的大小，決定著立管工況的優(yōu)劣，因此必須把立管的水流流量控制在一定的范圍內(nèi)，以免在水流下降的過程中引起管道內(nèi)壓力的波動。立管的最適宜流量應(yīng)在水膜形成的范圍內(nèi)，即充水率為1/3~1/4，此時，即充分發(fā)揮了立管的通水能力，而其壓力波動又不至于太大（控制在允許范圍內(nèi)），立管設(shè)計流量負(fù)荷極限值，依此原則確定。

        3、排水立管中水膜流運動的動水力分析
        力學(xué)分析的目的：確定各種管徑立管的通水能力。
        水膜——中空的圓柱體狀
        若按自由落體其下降

        試驗表明：立管內(nèi)的水流并非作自由落體運動，而是在下降之初具有加速度，e與v成正比。水流下降一段距離后，當(dāng)水流受到的管壁摩擦阻力P與重力W等平衡時，便做勻速運動α=0，不再變化。這種一直降落到立管底部保持不變的下落速度——終限流速。自水流入口到開始形成終限流速的距離，稱為終限流速。
        根據(jù)牛頓第二定律，建立排水立管中水膜流動運動的微分方程式，按終限流速和終限長度的定義，并引入有關(guān)參數(shù)，經(jīng)數(shù)學(xué)運算得：



        其中：
        v_t——終限流速（m/s）
        Q_u——污水立管下落的水流的流量（L/s）
        d_j——立管內(nèi)徑（cm） 
        L_t——終限長度
        K_p——管壁粗糙高度（m），（新鑄鐵管 =25×10^-5m）

        分析：
        ①對DN100立管，當(dāng)Qu=9l/s時，d_j=4m/s，當(dāng)Q、v超過上述值時，立管中的水流為非水膜狀態(tài)。
        ②DN100，Q=9l/s，Lt=3.0m，說明污水由立管經(jīng)過3.0m降落后，流速v和e不變，流態(tài)穩(wěn)定。表明橫支管的排水在立管內(nèi)引起了壓立變化，不會對相鄰層橫支管的水封產(chǎn)生影響。
        水力學(xué)分析的目的：確定立管在壓立允許波動范圍內(nèi)最大通水能力，提供立管設(shè)計依據(jù)，我們把下降的水膜視為一中空的圓錐體。取ΔL長度的基本小環(huán)，該脫離體在變加速下降過程中同時受到二個力的作用：

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

        根據(jù)牛頓第二定律：


 
        其中：
        m——t時刻內(nèi)通過該斷面的水流質(zhì)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——時間（s）
        τ——水流內(nèi)摩擦力，單位面積上平均切應(yīng)力（N/m²）
        當(dāng)v→v_t時，e→e_t，此時

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

        此時Q——L/s；d_j——cm。
        終限長度： 



四、排水立管的設(shè)計負(fù)荷

        排水立管的允許通過的流量按水膜流計算，即按v_t和e_t確定其流量





        Kp——取25×10^-5m
        解： 


        在前面分析中知：水膜流時，立管充水率為ω_t/ω=1/3~1/4（ω_t——過流斷面，ω——立管斷面)。


        當(dāng)ω_t/ω=1/4時，
 

        即d₀=0.866d_j

        當(dāng)d_j=100時，d=100，e_t=9.2mm

        上式告訴我們：雖立管徑d=100， e_t=6.7~9.2mm管內(nèi)絕大部分面積通氣，而不是Q超過e_t壓力波動。
        我國現(xiàn)行排水規(guī)范對排水立管臨界流量=1/2呈水膜狀態(tài)的通水能力原因：
        ①實驗是新管，實際上使用一段時間后管道的粗糙度增加，即K↑，過流能力下降20~33%。
        ②實驗是清水。

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