排水管系中水气流动规律

在B卫生器具 排水末期，三个 卫生器具存水弯 进水端水面都会 下降，见图4-29。
排水初期
排水末期
图4-29 有其他排水时上部横支管内流态与压力变化
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 横管内水流状态
若排水横支管位于立管的底部，见图4-30，立管内同时还有其 他排水，在立管底部和BD段内形成正压，即阻碍B卫生器具排水，
另外，排水横支管距横干管的高差大，下落污水在立管与 横干管连接处动能大，在横干管起端产生的冲激流强烈，水跃 高度大，水流有可能充满横干管断面。当上部水流不断下落时， 立管底部与横干管之间的空气不能自由流动，空气压力骤然上 升，使下部几层横支管内形成较大的正压，有时会将存水弯内 的水喷溅至卫生器具内。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 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。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4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：
1.自虹吸损失 2.诱导虹吸损失 3.静态损失
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
建筑内部排水不畅，污水外溢到室内地面，或管内气压波动，有 毒有害气体进入房间，将直接危害人体健康，影响室内环境卫生，事 故危害性大。
为合理设计建筑内部排水系统，既要使排水安全畅通，又要做到 管线短、管径小、造价低，需专门研究建筑内部排水管系中的水气流 动规律。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.2 水封的作用及其破坏原因
２．水封破坏
因静态和动态原因造成存水弯内水封高度减少，不足以抵抗管道 内允许的压力变化值时(一般为±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，只有要一个水封破坏，整个排 水系统的平衡就被打破。
水封破坏的动态演示 点击播放
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 横管内水流状态
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。
横管内水流状态 示意图
图4-27 横管内水流状态示意图 回到本章目录 回到总目录
4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 横管内水流状态
３．管内压力
4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 立管中水流状态
水膜表面摩擦力
P · ·d j ·L
式中 m——t时刻内通过所给断面水流的质量，kg； W——重力，N； g ——重力加速度，m/s2； Q——下落水流流量，m3／s； ——水的密度，kg/ m3； t ——时间，s； P ——水膜表面摩擦力，N ； dj ——立管内径，m； L——分离体的长度即中空圆柱水膜体的单元长度，m。 ——水流与管壁的切应力，N/ m2；
4.3.2 水封的作用及其破坏原因
１．水封的作用
水封是设在卫生器具排水口下，用来抵抗排水管内气压变化，防
止排水管道系统中气体窜人室内的一定高度的水柱，通常用存水弯来
实施。
存水弯靠排水本身的水流来达到自净作用。
P形
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。
建筑内部各种卫生器具的水封高度一般为50～100mm。 回到本章目录
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 立管中水流状态
4.3.4 立管中水流状态
排水立管连接各层的排水横支管，下接横干管或排出管， 立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压力 变化很剧烈。
排水立管设计是否合理，会直接影响排水系统的造价和 正常使用，所以，世界各国都非常重视排水立管内水流状态 和压力变化的研究。
管内自由水面和气压不稳定，水气容易掺合。
2.流速变化剧烈
建筑外部排水管绝大多数为水平横管，只有少量跌水，且跌水深 度不大，管内水流速度沿水流方向递增，但变化很小，水气不易掺合， 管内气压稳定。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.1 建筑内部排水的流动特点
污水排放顺序:
第4章 建筑内部排水系统
4.3 排水管系中的水、气流动规律
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.1 建筑内部排水的流动特点
建筑内部排水管道系统的设计流态和流动介质与室外排水管道系 统相同，都是按重力非满流设计的，污水中都含有固体杂物，都是水、 气、固三种介质的复杂运动。
排水立管中水膜可以近似看作一个中 空的环状物体，这个环状物体在变加速下 降过程中，同时受到向下的重力W和向上 的管壁摩擦力P的作用。取一个长度为ΔL 的基本小环，见图4-34。
根据牛顿第二定律：
F ma m dv W P dt
水流重力 W m·g＝Q··t·g
图4-34 环状水膜隔离体
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 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。
图4-32 普通伸顶通气单立管排水系统中压力 分布示意图
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 立管中水流状态
横支管
卫生器具
排水立管
排水横干管
室 外
建筑内部横管与立管交替连接，当水流由横管进入立管时，流速 急骤增大，水气混合；当水流由立管进入横管时，流速急骤减小，水 气分离。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.1 建筑内部排水的流动特点
3.事故危害大
室外排水不畅时，污废水溢出检查井，有毒有害气体进入大气， 影响环境卫生，因其发生在室外，对人体直接危害小。
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。
S形
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.2 水封的作用及其破坏原因
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。
水封
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
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。
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 横管内水流状态
当排水横支管位于立管的上部，且立管内同时还有其他排水时， 在立管上部和BD段内形成负压（参见图4-31），对B卫生器具的排水 有抽吸作用，减弱了AB段的正压； C卫生器具存水弯进水段水面下 降，带走少量水。
其中，固体物较少，可以简化为水、气两相流。
但建筑内 部排水的流动 特点与室外排 水有所不同：
1.水量、气压变化幅度大 2.流速变化剧烈 3.事故危害大
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.1 建筑内部排水的流动特点
1. 水量、气压变化幅度大
与室外排水相比，建筑内部排水管网接纳的排水量少，且不均匀， 排水历时短，高峰流量时可能充满整个管道断面，而大部分时间管道 内可能没有水。
（下页：图4.3.6排水立管水流状态图 ）
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 立管中水流状态
图4-33 排水立管水流状态图 回到本章目录 回到总目录
4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.4 立管中水流状态
排水立管内的水流流动状态影响着排水系统的安全可靠程度 和工程造价，
又使A和C卫生器具 存水弯进水端水面 升高；其他卫生器 具排水结束后，三 个卫生器具存水弯 进水端水面下降， 横支管内压力趋于 稳定。
图4-30 有其他排水时下部横支管内流态与压力变化
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4.3 排水管系中的水、气流动规律
4.3.3 横管内水流状态
以上分析说明，横支管内压力变化与横支管的位置关系较大。 因卫生器具距横支管的高差较小(小于1.5m)，污水由卫生器具落到 横支管时的动能小，形成的水跃低。
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4.3.4 立管中水流状态
３．水膜流运动的力学分析
在水膜流时，水沿管壁呈环状水膜竖直向下运动，环中心是空 气流（气核），管中不存在水的静压。水膜和中心气流间没有明显 的界限，水膜中混有空气，含气量从管壁向中心逐渐增加，气核中 也含有下落的水滴，含水量从管中心向四周逐渐增加。
这样立管中流体的运动分为两类特性不同的两相流， 一种是水膜区以水为主的水气两相流， 一种是气核区以气为主的气水两相流。
２．水流流动状态
在部分充满水的排水立管中，水流运动状态与排水量、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等因素有关。其中，排水量和管径是 主要因素。通常用充水率α表示，充水率α是指水流断面积wt与管道 断面积wj的比值。