虹吸式雨水排水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制與實(shí)踐

虹吸式雨水排冰系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制與實(shí)踐付四立;張曉紅;何恩科;任擁政【摘要】研制了一種可以實(shí)現(xiàn)虹吸式雨水排水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)雨水排放的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模擬過程.記述了虹吸式雨水排水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理，提出了可以開展的4種實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生掌握虹吸式雨水排水系統(tǒng)的原理和技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).【期刊名稱】《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》【年(卷)，期】2010(027)002【總頁數(shù)】3頁(P50-52)【關(guān)鍵詞】雨水;排水系統(tǒng);虹吸實(shí)驗(yàn)裝置【作者】付四立漲曉紅;何恩科;任擁政【作者單位】華中科技大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北，武漢,430074;北京排水集團(tuán)小紅門污水處理廠，北京,100176;北京速派科技發(fā)展有限公司，北京,102600;華中科技大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北，武漢,430074【正文語種】中文【中圖分類】TU823虹吸式雨水排水系統(tǒng)最早于1968年在芬蘭得到應(yīng)用之后，相繼在歐、美、日本等許多國家得到推廣［1］。虹吸式雨水排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)重力流雨水排水系統(tǒng)相比，懸吊管接入的雨水斗數(shù)量增多，立管數(shù)量大大減少，具有管道直徑小、水平懸吊管無須坡度和建筑適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)［2］。它廣泛被應(yīng)用于大型廠房、展覽館、候機(jī)樓、體育館等跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屋面。利用虹吸原理，采用屋面〃雨水虹吸”，是解決屋面排水的有效途徑。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用虹吸式排水系統(tǒng)的工程項(xiàng)目有近4萬個(gè)、約3000萬m2屋面排水面積，我國《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015—2003)中也針對(duì)虹吸式屋面雨水排水管道的設(shè)計(jì)特別作了規(guī)定。這表明虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在我國己逐步走向成熟，在國內(nèi)的浦東國際機(jī)場航站樓［3］、上?？萍拣^［4］、海南美蘭飛機(jī)維修機(jī)庫［5］、寧波大劇院［6］、國家體育場〃鳥巢”［7］等很多建筑屋面都得到得到應(yīng)用。但是在本科生的教學(xué)過程中對(duì)于虹吸式雨水排水系統(tǒng)的介紹卻幾乎沒有涉及到，實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)裝置更是一個(gè)空白。為此，本實(shí)驗(yàn)室在此領(lǐng)域進(jìn)行了一定的探索。本著創(chuàng)新思路進(jìn)行虹吸式雨水排水系統(tǒng)裝置的研制，力爭建成最先進(jìn)的虹吸式雨水排水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。主要研制思路如下：在滿足實(shí)驗(yàn)需要條件下，為了節(jié)省資金,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)力求尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)又能再現(xiàn)實(shí)際雨水排放的模擬過程。一套裝置多種用途。實(shí)驗(yàn)裝置將防漩渦雨水斗設(shè)計(jì)成分離式，安裝上防漩渦雨水斗可以模擬虹吸式雨水排水系統(tǒng)，移開防漩渦雨水斗可以模擬重力流雨水排水系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的雨水排水系統(tǒng)，也可以通過頂部配水槽的蓄水完成靜態(tài)排水實(shí)驗(yàn)。測(cè)定管道流量變化與壓力變化的相關(guān)規(guī)律。體現(xiàn)最先進(jìn)的虹吸式雨水排水系統(tǒng)。2.1實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成該實(shí)驗(yàn)裝置由底部儲(chǔ)水箱(尺寸為1.5mxlmx1m),頂部配水槽(尺寸為5mx0.5mx0.5m)、上水系統(tǒng)及3組虹吸式雨水排放系統(tǒng)(高度均為6.3m)組成。其中2組為單斗排放系統(tǒng)，另一組為3斗排放系統(tǒng)。單斗排放系統(tǒng)管徑分別為90mm和110mm;3斗排放系統(tǒng)管徑為110mm。3組系統(tǒng)由底部的球閥控制,可以單獨(dú)完成排水模擬實(shí)驗(yàn),也可并聯(lián)完成排水模擬實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)單斗排放模擬系統(tǒng)中從上到下安裝有3個(gè)真空壓力表，在3斗排放模擬系統(tǒng)上從右到左、從上到下各安裝有6個(gè)真空壓力表，共12個(gè)真空壓力表，真空壓力表的編號(hào)見圖1,其中9號(hào)表為精密真空壓力表。由上水系統(tǒng)蝶閥的開啟度調(diào)節(jié)可以真實(shí)地模擬虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的全過程。2.2實(shí)驗(yàn)裝置操作2.2.1靜態(tài)實(shí)驗(yàn)關(guān)閉3組排放系統(tǒng)上的球閥,開啟水泵以啟動(dòng)上水系統(tǒng);待頂部配水槽水面達(dá)到一定高度（一般為雨水斗上部300mm左右）后關(guān)閉水泵;開啟要測(cè)試的排放系統(tǒng)上的球閥;同時(shí)記錄配水槽的液面高度和時(shí)間，記錄虹吸過程完成時(shí)的時(shí)間和液面高度，讀出相應(yīng)排放系統(tǒng)上真空壓力表的讀數(shù),最后完成數(shù)據(jù)處理。2.2.2動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)關(guān)閉2組排放系統(tǒng)上的球閥,開啟要測(cè)試的排放系統(tǒng)上的球閥，開啟水泵以啟動(dòng)上水系統(tǒng);調(diào)節(jié)上水系統(tǒng)上的蝶閥開啟度，依次形成波浪流、脈沖流（脈動(dòng)流）、活塞流（拉拔流）、泡沫流（乳化流）、滿管流5個(gè)過程;記錄不同過程中真空壓力表的讀數(shù)變化，利用超聲波流量儀測(cè)定滿管流時(shí)管內(nèi)流量的變化。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可很好地模擬虹吸滿管流的過程,可測(cè)定雨水斗上部不同液面高度的最大排水流量值和管道內(nèi)壓力的變化。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)可控制上水量并真實(shí)地模擬虹吸雨水斗在實(shí)際排水過程中的各種流態(tài)變化。3.1實(shí)驗(yàn)裝置原理虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的新型雨水排泄系統(tǒng)，由防漩渦雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管和雨水出戶管組成。該系統(tǒng)排水管均按滿流有壓狀態(tài)設(shè)計(jì)。降雨初期，屋面雨水高度未超過雨水斗高度時(shí),整個(gè)排水系統(tǒng)工作狀態(tài)與重力排水系統(tǒng)相同。隨著降雨持續(xù)，雨量增加，當(dāng)屋面雨水高度超過雨水斗高度時(shí),由于采用防漩渦雨水斗，通過控制進(jìn)入雨水斗的雨水流量和調(diào)整流態(tài)，可減少漩渦，從而極大地減少了雨水進(jìn)入排水系統(tǒng)時(shí)所夾帶的空氣量,使系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)。利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的勢(shì)能，在雨水連續(xù)流經(jīng)雨水懸吊管并轉(zhuǎn)入雨水立管跌落時(shí)形成虹吸作用,并在該處管道內(nèi)呈最大負(fù)壓。屋面雨水在管道內(nèi)負(fù)壓的抽吸作用下以較高的流速被排出。當(dāng)超過設(shè)計(jì)重現(xiàn)期時(shí)，再提高系統(tǒng)的流量必須升高屋面水位，但升高的屋面水位與原有總水頭（建筑高度）相比仍然很小，系統(tǒng)的流量增加亦很小;因此,超重現(xiàn)期雨水必須由溢流設(shè)施排除，其管道內(nèi)水流是附壁膜流、氣水混合流及水一相流交替出現(xiàn)。3.2虹吸形成過程虹吸式雨水排放系統(tǒng)形成的虹吸過程，分波浪流、脈沖流（脈動(dòng)流）、活塞流（拉拔流）、泡沫流（乳化流）、滿管流等5個(gè)階段。在降雨初期,雨水排水系統(tǒng)懸吊管內(nèi)的雨水為非滿管流，以波浪流和脈沖流為主，系統(tǒng)處于重力流狀態(tài);隨著雨量的增大則斗前水深逐步增大,水流逐步過渡到活塞流和泡沫流，并間歇性地產(chǎn)生虹吸滿管流流態(tài)，懸吊管內(nèi)出現(xiàn)較明顯的負(fù)壓。世界知名的虹吸系統(tǒng)供應(yīng)商和專業(yè)機(jī)構(gòu)基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論驗(yàn)證得出結(jié)果:當(dāng)管道內(nèi)流體與空氣的混合度達(dá)到60%而形成泡沫流時(shí)即可以發(fā)生穩(wěn)定的虹吸現(xiàn)象［8-9］。虹吸的形成使系統(tǒng)排水能力突然增大，斗前水深又會(huì)回落，系統(tǒng)重新回到重力流方式。這種變換會(huì)來回持續(xù)一段時(shí)間，直到降雨量進(jìn)一步增大，斗前水深趨向穩(wěn)定，系統(tǒng)摻氣量減少，最終形成穩(wěn)定的虹吸滿管流。3.3工作原理虹吸式屋面雨水排除系統(tǒng)是在一相流狀態(tài)下滿管流運(yùn)行的,水力分析如圖2所示。系統(tǒng)的工作原理符合水流運(yùn)動(dòng)的能量守恒及其轉(zhuǎn)化定律，即伯努利方程：式（1）中川為位置水頭,p為動(dòng)水壓強(qiáng),為水的密度,v為水的流速,h為水頭損失,g為重力加速度。等式右邊第1項(xiàng)稱為位置水頭，第2項(xiàng)稱為壓力水頭，第3項(xiàng)是速度水頭第4項(xiàng)是兩斷面間的水頭損失，各項(xiàng)均具有長度的量綱。由于式(1)中,p2=0,v2=0,hx=H-Hx,故有式中px為管道x斷面處的壓力水頭。式(2)是計(jì)算管道中任一斷面處壓力水頭的基本公式，它的物理含義是管道中任一點(diǎn)的壓力水頭等于該點(diǎn)與雨水斗的高度差減去該點(diǎn)的速度水頭及該點(diǎn)至雨水斗管段的總水頭損失。通過改變斷面x在管道系統(tǒng)的不同位置，可以清楚地判明全系統(tǒng)的壓力。在雨水斗的接出管上，由于一般的虹吸式雨水斗都有較大的水頭損失，加上雨水斗的出水管較細(xì)，管道內(nèi)流速較快,速度水頭較大，兩項(xiàng)之和與可利用的水頭之差的絕對(duì)值不大，雨水斗以下的連接管內(nèi)呈小的負(fù)壓或正壓。在懸吊管上，隨著x斷面從懸吊管的最遠(yuǎn)端向立管一側(cè)偏移，管道的水頭損失迅速增加而可利用的水頭維持不變，按式(2)計(jì)算的結(jié)果，管內(nèi)呈不斷增大的負(fù)壓，在與立管的交叉點(diǎn)處負(fù)壓最大。其后，從立管與懸吊管交點(diǎn)向下，可利用的水頭迅速增加，大大超過因管道長度增加而增加的水頭損失，立管內(nèi)的負(fù)壓值也隨之很快減少至零，繼之出現(xiàn)逐漸增加的正壓，立管底部達(dá)到最大值后再逐漸減少，正壓逐漸被消耗，至排水井處與大氣相通，管道中的壓力為零，雨水斗的進(jìn)水水面至排出口的總高度差,即有效作用水頭全部用盡。測(cè)定虹吸式雨水排放系統(tǒng)的最大流量與壓力變化。在不同壓力流雨水斗斗前水深下,立管的最大流量和管道不同位置的壓力變化情況。斗前水深可以從30mm變化到400mm。完成與傳統(tǒng)自由堰流式雨水斗的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。將虹吸式雨水斗上的整流罩取下制變成傳統(tǒng)自由堰流式雨水斗，在相同的斗前水深條件下，測(cè)定立管的最大流量和管道不同位置的壓力變化情況，并與虹吸式雨水排放進(jìn)行對(duì)照。測(cè)定單位長度的阻力損失。在立管上，選取單位長度的直管作為實(shí)驗(yàn)管段,在實(shí)驗(yàn)管段的上端和下端各設(shè)置一個(gè)超聲波速度儀，測(cè)得壓力變化曲線，記錄后將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2),即可得出單位長度的阻力損失。將此數(shù)值代入海曾-威廉公式，可以計(jì)算出公式中的參數(shù)，為管道的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。測(cè)定局部阻力系數(shù)。選取包含一個(gè)管道配件的單位長度的管道，利用實(shí)驗(yàn)(3)的方法測(cè)出其單位長度的阻力損失，減去實(shí)驗(yàn)(3)中得出的單位長度直管上的阻力損失，此差值認(rèn)為是通過此管道配件的局部阻力，代入局部阻力計(jì)算公式,可以計(jì)算出此管道配件的局部阻力系數(shù)。【相關(guān)文獻(xiàn)】［1］ 肖健松,李紹琦林先環(huán).屋面雨水虹吸排水系統(tǒng)技術(shù)與施工要點(diǎn)［J］廣州建筑,2005(2):14-16.［2］ 石穎，柯水洲,馬晶偉.大面積屋面雨水虹吸排除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中夕卜建筑,2005(5):32-33.［3］ 徐揚(yáng)，瞿迅.浦東國際機(jī)場航站樓屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較［J］.給水排水,2000,26(4):43-47.［4］ 徐風(fēng).上?？萍拣^屋面雨水壓力流排水系統(tǒng)［J］.給水排水,2001,27(10):63-66.［5］ 徐志通，童球.壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.給水排水,2002,28(6):48-53.［6］ 李永奎，吳哲元,羅志文.虹吸式排水系