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题目：在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究

沈阳农业大学学士学位论文外文翻译

在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究摘要：在强调建筑环境的稳定性问题时，我们总是将注意力直接集中于减少能量的消耗和物质的使用。但是在设计给排水系统时容易的是，将可持续的解决方法综合起来的可能性。我们可以很清楚地辨别这种系统的基本功能，但是传统的设计方法总是限制性能提高和水管工程经济性提高的可能性。在一定程度上，采用传统方法并不令人惊奇，传统方法通过对稳定状态流体的设想巩固了许多在世界广泛应用的规范和指导方针的地位。但是，模拟法的改进意味着系统性能的改变起因于新技术的应用、创新方法的融合和更多能够完全被评估的可持续性的设计方法。

这篇文章阐述了建筑给排水系统的综述，这种系统通过发展人们已经完全能够评估它了，在赫瑞·瓦特大学，有一套数值模拟模型就可以完成评估过程。如果使用适当形式的圣维南方程，这个模型通过应用差分技术的特性方法可以精确的预测给排水系统的压力和流动状态。本文提供了三种应用的例子，重点在设计过程中的内部的稳定性。

关键词：水排水建筑稳定性数值模型

1.引言

在建筑给水和废物处理系统中需要供水时，性能是务必保证的.关键的职能包含：饮用水的供给并且其应达到基本的卫生标准；被废品污染的水能够及时排除；并且在排泄管、下水道与居住空间之间设置能够隔离臭气的物理屏障。建筑能够充分利用冲击雨水和混合废水也是非常重要的，尽管我们减少了不必要的损耗并且限制了下水道、排水网和收集系统的负荷。在限制供水的供给和消耗、减少物质使用、降低成本和环境影响的各个方面，可持续性成为了设计理论的核心。建筑给排水系统因此为可持续性解决方法的融合使用提供了大量的机会，但是，我们必须在保证运行性能的前提下施行，因此，我们应当完全理解使用过程中系统的反馈表达。

通常情况下，设计给排水设计系统时所采用的方法是由稳态原则的应用为基础并决定的，比如，流动负荷和压力相应就是这样。尽管这些方法多少促进了系统规范确定性的改变，它们很少能有机会去评估随时间变化系统的信息，以至于非常容易决定关键的设计决策。下文的内容将因此阐明如何去理解一个伴随发展状态的系统的动态响应过程，在赫瑞·瓦特大学，一套数值模拟模型已经促进了建筑给排水系统的高效地设计和分析过程，从而能够对集成设计方案的创新性和可持续性的潜力进行综合的评估。值得注意的是这点，在整篇文章中，“供水”这个术语将在建筑的供水的范围内出现,间接地规定其是由大规模的网络供水的。

每一个构建模型都有助于赫瑞·瓦特大学发展的这套设备使用特征性方法技术。这种技术首先被马索在1990年应用于河道径流，然后在1947年被拉磨恩用于分析水锤现象，并且将圣维南连续方程和动量的适当形式转化成了一组完全不同的可以用差分方法解决的微分方程。我们将这些方程的术语定义为C+或者C-特征方程，并且在将来会定义条件是一次每步一个节点就现在上下游的不同节点的条件来说。我们定义有限差网格使

在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究

用独立变量位移x和时间t与因变量相关，流体速度u和空气传播速度c或者u与水自由面的深度h都与因变量相关。在系统的边界，我们需要一个额外的方程去完成有限差分的计算。因此我们将方程式定义成这样的概念，视情况而定，它在边界上提供静态或者动态流体行为的信息。

理论上和经验上的这些边界方程的定义已经组成了赫瑞·瓦特大学过去和现在的研究的核心部分。并且已经促进了三种构建模型的发展，这三种构建模型在DRAINNET,AIRNET和ROOFNET当中被提到。所有的都是以前面描述的特征技术方法作为基础的，并且每一个都被成功地运用到提高相关系统的设计方式中去。DRAINET用于处理局部充满表面的瞬态分析，也就是自由面，管道流动，主要强调建筑内部排水系统的性能。它的应用已经扩展到包含局部明沟排水系统，这种系统是由波减为特征的流态。AIRNET通过预测对装置水封完整性有影响的压力和气流，测试了排水通风系统的瞬态响应能力，然而ROOFNET评估了传统的和虹吸式的建筑雨水排水系统。从某种程度上来说，ROOFNET和DRAINET可以联合起来使用促进对从屋面排到局部排水系统的雨水的预测，这样取得的效果会更好。这篇文章将通过例子进行举例，说明这些模型构建是如何应用到建筑给排水系统的设计方面的，旨在对该系统进行整合和增加内部的稳定性。

2.饮用水的使用和减少厕所冲水量的影响

可持续性的定义可能并且经常依赖于它所设置的环境。对于许多发达国家来说，可持续性将注意力放在比如说，减少并优化能量和物质的使用，然而在其他地区，持续性体现在对基本需求的供给的稳定性上。在后文中，一个关键的目标是“到2015年，如果没有办法获得健康的饮用水和保障基本的卫生条件人口所占的比例会减半”，这个目标是由联合国水和卫生小组传达的，是与联合国千禧年发展目标相对应的。供给的饮用水的大部分都用来冲洗厕所了，这看起来在很多国家是违反直觉的。任何与厕所冲水量的减少相关的直接节约的成本数还在不断地增加，随着处理工艺的进步和给排水系统管子型号的减小也促进了成本的节约。

建议书为大家介绍了任何厕所冲水量的减少总是会遇到对于卫生用具排除污染物和其他物体的效率的注意，并且也常常和它们的排水网的传递效率联系在一起。在美国，早年在大约1900年的时候冲水的数量多到了40升，但是紧接着骤减到了9.1升，然后再到下一波骤减期花费了数十年的时间。从2001年起到现在法令规定，对于安装来说，最大的冲水数量是6升，并且减少的冲水数不能大于最大数目的三分之二，因此看似不成比例，但是大约三分之一的国内的供水都用来提供厕所冲水了。

假设任意的废品都是有机的或者他们都达到了可冲洗标准，因此注意力主要放在管道运输废品到下游排水管或者下水道的性能方面。为卫生用具供水的流态本来就是不稳定的，并且在赫瑞·瓦特大学已经开展了大量实质性的工作，同时在其他的地方，我们有这样的目标，即预测排水管道携带离散固体方面，设计上的改变或者水的消耗量的改

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变会造成多大的影响。如果能够预测固体沉积物的坐落位置，并且能否采取一些预防措施，那么很容易就可以避免堵塞的可能性。

下一段介绍的是展示管道工作性能的简单的例子，当它受到可变的厕所排量的影响后，使用DRAINET可以评估它是否高效。在这种情况下，如图一中显示的那样，管二的器具的冲水量是在3L，4.5L，6L，9L之间变化的。在这挑选出来的四个排量中，通过采用这种类型的简况图我们能表示出来每一个冲水量。在这个例子中，固体离开器具的时刻是适度地不同的，这是为了保证在所有的情况下，它都先于流量最大值点。这是非常重要的，因为众所周知的是固体径流量除了与排水剖面、固体参数、管的倾斜度、管径、粗糙度和底部流动的情况有关，还与整体冲洗持续时间(也就是因此定义了“后续流量”)有关，固体径流量对于泄水管路的携带能力（在初期固体的移动确保了足够长的流动距离）有非常重要的影响。

图1.厕所流量简况图2-管连接处原理图

在这个模拟过程中，1s和5m下游管道相连的厕所的冲水量达到3L实际上是不可实现的。所有的下游管道都规定直接必须达到100mm，坡度在1-100之间。

通过使用DRAINET，可以同时模拟卫生间出流自由表面的衰减过程和离散固体沉积物的坐落位置。这就需要提前定义边界条件方程式，这个方程式是与流动深度、流速和时间有关，并且这个方程式决定了物理系统组件的位置产生的条件，比如管节和水跃。在任何离散固体的位置的流动条件都是由方程规定的，我们也需要方程来帮助（单一或混合）固体沉积物的模拟。

图2显示对于一个冲水量在6L或9L的器具来说，固体沉积物的移动距离超过网络模拟的，也就是超过9m，它显示固体已经成功地转移到下游连接点去了。对于冲水量是3L或者4.5L的器具来说，移动的距离分别是5.9m和7.9m，因此它表明，在这两种情况下，管三中的沉积物都会出现。这种方案总是被视为系统的失败之处，我们常常通过增大冲洗流量来弥补。但是通过调整管径到75mm，在图二中可以显示，泄水管路的承载

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能力可以到达7.8m和9m（流量分别是3L和4.5L）。对于一个离器具有9m远的下游连接点，就传递距离来说，3L的冲水量所产生的流出量是不足的。但是，通过模拟随后的管一中的30s内的冲水量（比如来自临近房产或者房间的流出量），水流条件可以扩展固体流动距离使其超过最低要求。

图2.经过DRAINET模拟的与卫生间排水量成正比的固体沉积物转移距离的比较图这个例子说明了排水量的减少未必会引起网路泄水管道运载性能的降低。通过减少管径，在这种情况下，传递能力是增加的。也可以通过调整管道倾斜角或者评估相连的出流量来改善传递能力。

尽管展示出来的这个例子是建立在仅仅使用三种管道的基础上，DRAINET能够清晰地模拟任何数量的管道，这些管道可以来自一个传统的建筑或者一个小的建筑群，因此在建筑给排水的设计过程中，当我们准备实施一些节约水的政策或者追求可持续性时，它可以给我们关于设计最好的方案的信息。

3.在居住区域和排水管道区域保持物理分隔

任何从排水器具中产生的不稳定流都会自然而然地在管道内产生压力改变。压力改变是非常正常的，尤其是当垂直管经过放流时，这段流体会形成环流或者当系统排放口有想关的气流涌入时。任何排水管网的压力改变都对系统的总体相应产生影响，但是主要会产生暂时的压力偏离额定值，这个额定值决定了存水弯的水封消耗的潜在值得大小。一般来说，以水为基础的水封是隔离居住空间和有害气体的屏障，有害气体是由服务于建筑整体的作为污水管道系统导管的排水管道产生的。因此为了防止屏障被破坏，将压力改变降低到最小值是十分重要的，因为压力改变可能会使水封内的水转移走。

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当一个或多个卫生器具的出流速率快速改变时，空气压力瞬变最可能产生在排水系统和通风设备的管道当中。图三阐明了垂管或者堆叠起来的管中环流是如何形成的，尽管有着“非滑动”的原理，气流在多数情况下，都是由上栈终止产生的。图三也显示了已知点的流量是如何借助于空气压力的改变和系统相联系的，并且当通风系统有上栈终止时，在所有连续的器具中是怎样产生一个强加的压力改变的。

图3.在堆栈管中的环状流，流量的改变造成了空气压力的瞬变，空气压力由于立管终止得

到了减轻

赫瑞·瓦特大学的数值模型，AIRNET，同样使用特征值方法技术去促进整个系统压力的预测和气流响应。边界条件又要求使系统模拟下定义，并且一个重要的赫瑞·瓦特大学的工作的组成部分，已经把注意力集中于代表驱动系统和组成部分的描述性算法上取得的适当的理论和经验上的特征描述。这个模型也包括模拟空气-水界面的先进的方法，正如图四中显示的那样，通过无量纲速率微分项目的整合，可以将模型从单一出流模拟中释放出来，从而使对进水流量多重分支进行分析。系统规范书的灵活性作为输入数据，伴随着器具的排放模型，因此能够允许对短暂的气流和压力进行预测，并且水封保留了一定高度，从而在评估系统性能的响应的能力上迈出了重要的一步，其目的是使追求持续性的过程中一开始就得到改变。

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图4.控制装置提供有效通风图解

节约用水对于排水系统的流态有很明显的影响。一般来说，流量减少的效果是以堆叠终端水流速度整体的减少为特征的，因此导致相应减少夹杂空气和系统压力。但是，减容器具排放的概要是显著依赖于时间的，并且为了保证水封不被破坏，瞬态压力的影响必须继续进行评估。

仿真模型可以精确地预测系统的压力，不仅是通过使用卫生间冲水量的减少来达到用水消耗量减少的可能性，同时也是为了在设计解决方法的融合过程中提高经济效益。减少管道工程的话费效益是很明显的，如果把维护、空间花费和环境影响因素都综合考虑在内，在安装的过程中它的好处会进一步得到加强。

简要的回顾排水通风系统的发展，在过去的一个世纪，系统在英国和欧洲的进

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展主要是过度繁冗的双管系统（包括四个垂直落水管）和单管系统(有两个垂直管道)，对于三十层以上的建筑，主要是应用堆栈系统（只有一个垂直的排水管）。在世界的一些地区，已经不再使用单堆栈系统了，由于潜在的过度压力产生的问题，但是对于非稳定流条件的起源和内在性质的了解可以知道在这样的系统中可以消除这些顾虑。它不仅可以使用数值模拟技术显示单一堆栈技术是可行的，可以很好的运行，也可以减少管材量，AIRNET还可以促进对整体系统的预定义条件和安装的创新、可持续的解决方案的评估。

下面文章要介绍AIRNET可以用来促进系统执行的三个例子。第一个例子是，表一中展示了AIRNET输入了用来证明2003年香港厦门花园SARS病毒传入的参数。详细地阐明了事件发生的经过，“非典”专家委员会报告了以水为基础的水封的基本作用，它允许水封干燥但是要引入排水管道和居住地的连接管。在过去的事件中，当加上引起浴室通风设备会导致显著的空气流动时，AIRNET用来强调正常水压的变化，更重要的是，当一个或多个水封被破坏时，会混合进入污染空气，从而造成严重的后果。

表1.AIRNET输入澳门花园排水系统的数值模拟参数避免屋顶结构渗透需要的好处，它适应了上栈终止的条件，并且在某个时刻已经得到了实现，尽管需要使用空气准入阀。这些阀门通过允许空气经过一个完整的隔膜进入管道来相应负压，但当遇到正压时，它们就会关闭去防止恶臭和瘴气的泄露。可以很清楚地显示，使用AIRNET，AAVs在管内的分布规律（现在是按照国标），不管是除去还是代替AAVs的位置，在图三中都可以提供问题所在，必须要是水封减少的可能性瞬态传播到整个网络更远的地方。

对于经过剧烈压力变化的系统来说，比如，我们在这里引入一个例子，排水至收集槽或者管道设计导致负荷过重的地方，与工业伙伴合作，在该大学做的研究，促进了正压力衰减器（PAPA）的发展。通过使用一个可调整的，可变容量的安全壳，安全壳的主要目的是为了减少有可能产生飙升时间的气流速率的变动率，压力衰减

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器为建筑过载提供了保护，因此可以进一步地避免通风设备不需要的花费，图4中可以看到。

图4可以清晰地显示PAPA是怎样结合空气准入阀去减少系统的正压和负压，因此可以不加入过多的通风管道就可以保障水封的完整性。图5显示了这一原则也可以应用到更复杂的“密封”建筑即连接栈,总的来说,不需要屋顶渗透。当安全问题的关心或者建筑设计可能被管道影响视觉效果时，这种方法也可以应用。使用AIRNET 作为设计分析的工具，可以显示AAVs位置的负压被减轻了(那里的空气会来自于一个安全的内部平面，因此保护了系统密封)。并且PAPA设备和可供选择的下水道连接处的多样性一起，要在正压衰减的范围以内。

图5.建筑封闭系统的四根立管（没有局部开口）

4.屋顶和小规模局部排水

在雨水传输和使用的范围内，该学校在这方面做了大量的工作，使ROOFNET的数值模拟模型获得了巨大的发展。这个模型使用类似上面描述的模型的原则，能够评估传统、虹吸式的屋面排水系统的性能。虹吸式的排水系统与传统的有所不同，因为它的排水沟的深度足够高，通过使用挡板在排水沟和落水管之间存在虹吸。它们的流量很高，并且在高强度的降雨期间工作的很好。从美学上讲,虹吸的系统往往是首选,因为他们为特定的建筑减少所需落水管总数。在建立排水屋顶表面所需的水管的行动中，系统触发是关键。许多在该学校进行的研究都将注意力集中于从理论上和经验上为合适的边界条件方程下定义，这些边界条件方程代表瞬态过渡流。

ROOFNET模型也有能力模拟从“绿色”屋顶和透水固体结构留下来的水，并且可以很容易结合DRAINET模型用于小规模的排水管道工程在自由表面衰减控制流条件。

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这些组件允许降雨通过的时间是从雨水落到屋顶到它在连接点形成沟再进入主要的下水道结束的。

我们可以使用这样的一个例子，一个屋子有1500㎡的屋顶，并且有八根排水立管，周围是相同区域的透光和不透水的土地总计2000㎡,使用ROOFNET 和DRAINET 可以一起评估雨量较大时下水管道的性能。ROOFNET可用于确定落水管外流和透水的径流和不透水区域。反过来，输出为DRAINET输入数据流。作为一个例子，图6可以显示出来可透水表面的流量，并且可以阐明，在高强度的落雨时间中(被认为是100mm/h)，在9S和73s之间有有限流产生，在时间过后，临近的排水沟过高不会产生流量。

图6.从1000㎡透水面积上以100mm/h下落密度的预测流量通过模拟透水和不透水面积全部排水管道中的流量，和表示建筑排水量的时间概况结合起来，DRAINT可以用来决定下游的管道水流条件。图7模拟的输出显示，不透水面积的流量是透水面积流量的三倍，支配了流动条件。建筑排水流量是很低的并且是间断的，影响非常小。

图7.以管道内流动为基础的DRAINET模拟原理图

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DRAINET也可以用来辨别即将到来的水流条件的满径点的位置，因此可以为脱机储备装置的组成和安装位置提供建议，从而避免出现局部的泛滥情况。识别局部危险和洪水泛滥的位置随着城市化进程的加快和天气预测的改变变得越来越重要了。

5.结论

这个文章对赫瑞·瓦特大学排水系统模型的发展进行了一个简要的概述，它不仅提高了系统的性能，但也促进了能够及时探索一系列创新的系统组件的实用性和可持续的设计解决方案。每一个该大学采用的方法都用例子进行了显著的证明。使用DRAINET，模拟自由表面流动和离散固体沉积物的能力非常显著地促进了对于从卫生器具中产生的排水量减少的评估工作的进行，尤其是在卫生间中-这是一个不成比例的高用水消耗物。在这里展示的例子证明了水量的减少不一定会导致性能的降低，通过调整管径和增加坡度它的性能可以得到提升。模拟多样流和多样器具网络的能力也可得到加强。

通过评估瞬态压力和气流排水通风系统的响应情况，AIRNET模型已经确定了在2003年的香港厦门花园SARS病毒的传输路径。此外，我们已经证明了本文中如何合理分布的压力控制设备的集成可以显著地减少设计复杂管道和昂贵管道的需要。建筑内部水封的抗干扰性我们也进行了讨论。

评估排水系统性能的方法已经展示出来了，并且ROOFNET模型加上DRAINET可以评估从屋面或者局部表面与合适的下水管的连接处处的雨水（由衰减流条件）的传送能力。结果表明水如何从占据主导地位的不透水表面的中间管网络离开的，并且离线仓库是怎样用来避免洪水或者储存水的。

这篇文章因此证明了排水系统的功效不需要服从于过度设计，也就是说不需要过多的用水和繁冗的管道安装，以及设计排水系统不需要一定受制于某些在固定的在很多国家都应用的设计原则，要灵活多变一些。此处的讨论的模型应用在这里担任了系统瞬态响应的主要的评估功能，并且整合可持续的解决方案，这个解决方案可以是个别的或者是整体的，并且强调了对于水的消耗水平和对于给排水系统的经济和环境方面尽量有积极的影响。

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