排水管系中的水氣流動的物理現(xiàn)象
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。
結論：沖激流雖然在短時間內形成高峰流量，但由于設計充滿度的考慮，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疏，形成負壓，抽吸A存水彎中的水層，使之下降，甚至全部流失。當滿流水流至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，當立管排來水量過大時，在立管底部產(chǎn)生強烈的沖激流，此時參混在水中的氣體受阻不能自由運動，受到強烈的使管內壓力增加，形成正壓區(qū)，嚴重時,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，設計時應將底層橫支管與地下橫管中心線距離應有最小高度。
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
當流量達到充水率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，以免在水流下降的過程中引起管道內壓力的波動。立管的最適宜流量應在水膜形成的范圍內，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），立管設計流量負荷極限值，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，并引入有關參數(shù)，經(jīng)數(shù)學運算得：
其中：
vt——終限流速（m/s）
Qu——污水立管下落的水流的流量（L/s）
dj——立管內徑（cm）
Lt——終限長度
Kp——管壁粗糙高度（m），（新鑄鐵管 =25×10-5m）
分析：
①對DN100立管，當Qu=9l/s時，dj=4m/s，當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。
水力學分析的目的：確定立管在壓立允許波動范圍內最大通水能力，提供立管設計依據(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×dj×ΔL
根據(jù)牛頓第二定律：
其中：
m——t時刻內通過該斷面的水流質量（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——水流內摩擦力，單位面積上平均切應力（N/m2）
當v→vt時，e→et，此時
Kp——管壁粗糙高度（m）
即dv/dt=0，將λ代入。
終限流速：
此時Q——L/s；dj——cm。
終限長度：
四、排水立管的設計負荷
排水立管的允許通過的流量按水膜流計算，即按vt和et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ωt/ω=1/3~1/4（ωt——過流斷面，ω——立管斷面)。
當ωt/ω=1/4時，
即d0=0.866dj
當dj=100時，d=100，et=9.2mm
上式告訴我們：雖立管徑d=100， et=6.7~9.2mm管內絕大部分面積通氣，而不是Q超過et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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