建筑給水排水工程課件：6-2 雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律

1、 第6章 建筑屋面雨水排水系統(tǒng)6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 雨水從屋面流入雨水斗用管道輸送到雨水井或地面，其間沒有能量輸入，水體的這種流動(dòng)通常稱為重力流動(dòng)。屋面雨水進(jìn)入雨水斗時(shí)，會(huì)挾帶一部分空氣進(jìn)入雨水管道，所以，雨水管道中泄流的是水、氣兩種介質(zhì)。 6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng)這些變化受到天溝距埋地管的位置高度H、天溝水深h、懸吊管的管徑、長度、坡度及立管管徑等諸多因素的影響。其變化規(guī)律是合理設(shè)計(jì)雨水排水系統(tǒng)的依據(jù)。 降雨歷時(shí)、匯水面積和天溝水深影響了雨水斗斗前的水面深度h，雨水斗斗前水面深度又

2、決定了進(jìn)氣口的大小和進(jìn)入雨水管道的相對(duì)空氣量的多少，進(jìn)入雨水管道的相對(duì)空氣量的多少直接影響管道內(nèi)的壓力波動(dòng)和水流狀態(tài)，隨著雨水斗斗前水深h的不斷增加，輸水管道中會(huì)出現(xiàn)重力無壓流、重力半有壓流和壓力流（虹吸流）三種流態(tài)。 6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng)降雨開始后，降落到屋面的雨水沿屋面徑流到天溝，再沿天溝流到雨水斗。隨降雨歷時(shí)的延長，雨水斗斗前水深不斷增加，見圖6.2.1。圖6-6 雨水前水流狀態(tài)6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng)進(jìn)氣口不斷減小，系統(tǒng)的泄流量Q、壓力P和摻氣比K隨之發(fā)生變化，見圖6-7。摻氣比是指進(jìn)入雨水斗的空氣量與雨水量的

3、比值。圖6-76.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 在初始階段，降雨剛剛開始，只有少部分匯水面積上的雨水匯集到雨水斗，天溝水深較淺。隨著匯水面積的增加，天溝水深增加較快，雨水斗泄流量也增加較快。但泄流量和水深的增長速度變緩。1. 初始階段（0ttA，1/3) 雨水斗和連接管按降雨歷時(shí)t，系統(tǒng)的泄流狀態(tài)可分為三個(gè)階段：降雨開始到摻氣比最大的初始階段（0ttA），摻氣比最大到摻氣比為零的過渡階段(tAttB）和不摻氣的飽和階段(t tB)。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng)在這一階段，因天溝水深較淺，雨水斗大部分暴露在大氣中，雨水斗斗前水面穩(wěn)定，進(jìn)

4、氣面積大，而泄水量較小，所以摻氣比急劇上升，到tA時(shí)達(dá)到最大，見圖6-6.a.因泄水量較小，充水率1/3，雨水在連接管內(nèi)呈附壁流或膜流，管中心空氣暢通，管內(nèi)壓力很小且變化緩慢，約等于大氣壓力。 雨水由連接管進(jìn)入懸吊管后，因泄水量較小，管內(nèi)是充滿度很?。╤/D0.37）的非滿流,呈現(xiàn)有自由水面的波浪流、脈動(dòng)流、拉撥流,水面上的空氣經(jīng)連接管和雨水斗與大氣自由流通，懸吊管內(nèi)壓力變化很小。 懸吊管與立管6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 立管管徑與連接管管徑相同，立管內(nèi)也是附壁水膜流。因立管內(nèi)雨水流速大于懸吊管內(nèi)的流速，雨水會(huì)挾帶一部分空氣向下流動(dòng)，其空間會(huì)由經(jīng)雨水斗、連接管

5、、懸吊管來的空氣來補(bǔ)充，所以，立管內(nèi)壓力變化也很小。 因泄水量與懸吊管相同，排出管和埋地干管內(nèi)的流態(tài)與懸吊管相似，也是充滿度很小有自由水面的波浪流、脈動(dòng)流，系統(tǒng)內(nèi)壓力變化很小。 埋地干管6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 由以上分析可以看出，單斗雨水系統(tǒng)的初始階段，雨水排水系統(tǒng)的泄流量小，管內(nèi)氣流暢通，壓力穩(wěn)定，雨水靠重力流動(dòng)，是水氣兩相重力無壓流。 在過渡階段，隨著匯水面積增加，雨水斗斗前水深逐漸增加，因泄流量隨水深增加而加大，所以這個(gè)階段水深增加緩慢，近似呈線性關(guān)系。 2. 過渡階段（tAttB ，1/31） 雨水斗和連接管6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.

6、2.1 單斗雨水系統(tǒng) 因泄流量逐漸增加，管內(nèi)充水率增加，而管道斷面積固定不變，所以，泄流量的增長速率越來越小。因大氣壓力、地球引力和地球自轉(zhuǎn)切力的共同作用，當(dāng)天溝的水深達(dá)到一定高度時(shí)，在雨水斗上方，會(huì)自然生成漏斗狀的立軸旋渦，雨水斗斗前水面波動(dòng)大。見圖6-6b。 隨著雨水斗前水位的上升，漏斗逐漸變淺，旋渦逐漸收縮，雨水斗進(jìn)氣面積和摻氣量逐漸減小，而泄流量增加，所以摻氣比急劇下降，到tB時(shí)摻氣比為零。因泄水量增加和摻氣量減少，管內(nèi)頻繁形成水塞，出現(xiàn)負(fù)壓抽力，管內(nèi)壓力增加較快。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 連接管內(nèi)頻繁形成水塞的氣水混合流進(jìn)入懸吊管后流速減小，雨水與

7、挾帶的空氣充分混合，形成沒有自由水面的滿管氣泡流、滿管氣水乳化流，管內(nèi)壓力波動(dòng)大。 懸吊管與立管 懸吊管的水頭損失迅速增加，因可利用的水頭幾乎不變，所以，管內(nèi)負(fù)壓不斷增大。由單斗雨水系統(tǒng)壓力實(shí)測(cè)資料可得單斗雨水排水系統(tǒng)管內(nèi)壓力分布示意圖。見圖6-8。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 從中可以得出，懸吊管起端呈正壓，懸吊管末端和立管的上部呈負(fù)壓，在懸吊管末端與立管連接處負(fù)壓最大。 上部形成負(fù)壓圖6-8 單斗系統(tǒng)管內(nèi)壓力分布示意圖 下部形成正壓6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 氣水混合物流入立管后，由橫向流動(dòng)變成豎向流動(dòng)，流速增加，但不足部分

8、不能由空氣來補(bǔ)充。 為達(dá)到平衡，抽吸懸吊管內(nèi)的水流，水氣紊流混合。形成水塞流、氣泡流、氣水乳化流。 隨著水流沿立管向下流動(dòng)，可利用的水頭迅速增加，立管內(nèi)的負(fù)壓值迅速減小，至某一高度時(shí)壓力為零。再向下管內(nèi)壓力為正，壓力變化曲線近似呈線性關(guān)系，其斜率隨泄流量增加而減小，零壓點(diǎn)隨泄流量增加而上移，滿流時(shí)零壓點(diǎn)的位置最高。 高速挾氣水流進(jìn)入密閉系統(tǒng)的埋地管后，流速急驟減小，其動(dòng)能大部分用于克服水流沿程阻力、轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，形成水躍，水流波動(dòng)劇烈，是使立管下半部產(chǎn)生正壓的主要原因。水中挾帶的氣體隨水流向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，受浮力作用作垂直運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)水流，使水流摻氣現(xiàn)象激烈，形成滿管的氣水乳化流，導(dǎo)致水流阻力和能量損

9、失增加。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 埋地干管 因橫干管內(nèi)的流速比立管流速小，水氣在立管下部進(jìn)行劇烈的能量交換，水氣完全混合，所以立管底部正壓力達(dá)到最大值。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 水流在埋地橫管內(nèi)向前流動(dòng)過程中，水中氣泡的能量減小，逐漸從水中分離出來，聚積在管道斷面上部形成氣室，并具有壓力作用在管道內(nèi)雨水液面上。 雖然氣室占據(jù)了一定的管道斷面積，使管道過水?dāng)嗝鏈p小，但同時(shí)有壓力作用在水面上，水力坡度不再僅是管道坡度一項(xiàng)，還有液面壓力產(chǎn)生的水力坡度，這又增加了埋地管的排水能力。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單

10、斗雨水系統(tǒng) 對(duì)于敞開式內(nèi)排水系統(tǒng)，立管或排出管中的高速水流沖入檢查井，流速驟減，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成位能，使檢查井內(nèi)水位上升。同時(shí)，挾氣水流在檢查井內(nèi)上下翻滾，使井內(nèi)水流旋轉(zhuǎn)紊亂，阻擾水流進(jìn)人下游埋地管。水中挾帶的氣體與水分離，在井內(nèi)產(chǎn)生壓力。在埋地管起端，因管徑小，檢查井內(nèi)的雨水極易從井口冒出，造成危害。 由以上分析可以看出，單斗雨水系統(tǒng)的過渡階段的泄流量較大，管內(nèi)氣流不暢通，管內(nèi)壓力不穩(wěn)定，變化大，雨水靠重力和負(fù)壓抽吸流動(dòng)，是水氣兩相重力半有壓流。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 到達(dá)tB時(shí)刻，變成飽和階段。這時(shí)天溝水深淹沒雨水斗，雨水斗上的漏斗和旋渦消失，見圖6-6c。

11、3. 飽和階段（t tB，1） 雨水斗和連接管 不摻氣，管內(nèi)滿流。因雨水斗安裝高度不變，天溝水深增加所產(chǎn)生的水頭不足以克服因流量增加在管壁上產(chǎn)生的摩擦阻力，泄流量達(dá)到最大，基本不再增加。所以天溝水深急劇上升，泄水主要靠負(fù)壓抽力，所以雨水斗和連接管內(nèi)為負(fù)壓。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 因雨水斗完全淹沒不進(jìn)氣，所以懸吊管、立管和埋地橫干管內(nèi)都是水單相流，受位能和系統(tǒng)管路壓力損失的制約，懸吊管起端管內(nèi)壓力可能是負(fù)壓也可能是正壓。 懸吊管與立管 隨懸吊管的延伸,管內(nèi)壓力逐漸減小，負(fù)壓值增大，至懸吊管與立管的連接處負(fù)壓值最大，形成虹吸。立管內(nèi)的壓力變化規(guī)律與過渡階段末端

12、相似，由負(fù)壓逐漸增加到正壓。在立管與埋地管連接處達(dá)到最大正壓。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 雨水進(jìn)入埋地干管向前流動(dòng)過程中，水頭損失不斷增加，而可利用水頭H不變，所以，埋地干管正壓值逐漸減少，至室外雨水檢查井處壓力減為零，從屋面雨水斗斗前的進(jìn)水水面至埋地干管排出口的總高度差，即有效作用水頭H，全部用盡。 埋地干管 由以上分析可以看出，單斗雨水系統(tǒng)飽和階段的雨水斗完全淹沒，不摻氣，管內(nèi)滿流不摻氣，雨水排水系統(tǒng)的泄流量達(dá)到最大，雨水主要靠負(fù)壓抽吸流動(dòng)，是水單相壓力流。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.1 單斗雨水系統(tǒng) 通過以上對(duì)單斗雨水排水系統(tǒng)各個(gè)組成部分

13、的水流狀態(tài)、壓力變化規(guī)律和泄水量大小的分析，壓力流狀態(tài)下系統(tǒng)的泄流量最大，重力流時(shí)泄流量最小。在重力半有壓流和壓力流狀態(tài)下，雨水排水系統(tǒng)的泄水能力取決于天溝位置高度、天溝水深、管道摩阻及雨水斗的局部阻力，其中主要取決于天溝位置高度。 雨水斗離排出管的垂直距離越大，產(chǎn)生的抽力越大，泄水能力也就越大。系統(tǒng)最大負(fù)壓在懸吊管與立管的連接處，最大正壓在立管與埋地橫干管的連接處。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng) 一根懸吊管上連接2個(gè)或2個(gè)以上雨水斗的雨水排水系統(tǒng)為多斗雨水系統(tǒng)，這些雨水斗都與大氣相通，當(dāng)雨水斗斗前水深較淺時(shí)，從連接管落入懸吊管的雨水，產(chǎn)生向下沖擊力，在連接管

14、與懸吊管的連接處，水流呈八字形，向上游產(chǎn)生回水壅高，對(duì)上游雨水的排放產(chǎn)生阻隔和干擾作用，使上游雨水斗的泄水能力減小。 1. 初始和過渡階段6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng)6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng)在初始和過渡階段，多斗雨水系統(tǒng)中雨水斗之間相互干擾的大小與懸吊管上雨水斗的個(gè)數(shù)、互相之間的間距及雨水斗離排水立管的遠(yuǎn)近有關(guān)。即使每個(gè)雨水斗的直徑和匯水面積都相同，其泄流量也是不同的。 回水線長度與管徑、坡度、泄流量及管內(nèi)壓力有關(guān)。初始階段泄流量小，管內(nèi)空氣流通，氣壓穩(wěn)定，回水線長，隨泄流量的增加，管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓抽吸，雨水在重力半有壓流狀態(tài)下流動(dòng)時(shí)，則回水線縮短。 6.2

15、雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng)圖6-9 多斗系統(tǒng)雨水泄流規(guī)律圖6-9是立管高度為4.2m，天溝水深為40mm時(shí)多斗雨水排水系統(tǒng)泄流量的實(shí)測(cè)資料，圖中數(shù)據(jù)為泄流量，單位為Ls。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng) 由圖中的數(shù)據(jù)可以看出，離立管近的雨水斗泄水能力大；離立管遠(yuǎn)，則泄水能力小。這是因?yàn)檠厮鞣较驊业豕軆?nèi)的負(fù)壓值逐漸增大，離立管近的雨水斗受到的負(fù)壓抽吸作用大，由雨水斗流到立管的水頭損失小，所以泄流能力大；而離立管遠(yuǎn)的雨水斗受到的負(fù)壓抽吸作用小，且排水流程長，水流阻力大，還受到近立管處的雨水斗排泄流量的阻擋和干擾，泄流能力小。 因離立

16、管遠(yuǎn)的雨水斗泄水能力小，該雨水斗處天溝水位上升快，雨水斗可能淹沒。為防止屋頂溢水，天溝水深不可能無限增高，所以近立管雨水斗不可能淹沒。這樣近立管雨水斗泄水時(shí)總要摻氣，立管內(nèi)呈水氣兩相流。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng) 在設(shè)兩個(gè)雨水斗，且近立管雨水斗至立管距離相等的情況下（圖6-9中的b、c、d、e），總泄流量基本相同。隨著2個(gè)雨水斗間距的增加，近立管雨水斗泄流量逐漸增加，遠(yuǎn)離立管雨水斗泄流量逐漸減小，但變化幅度不大。當(dāng)兩個(gè)雨水斗間距相同(圖6-9中的a和c)，距離立管不同時(shí)，兩個(gè)雨水斗泄流量的比值基本相同(18.99.052.09，21.6210.302.10

17、)。但兩種情況總泄流量不同，離立管越近，總泄流量越大。 6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng) 若1根懸吊管上連接5個(gè)雨水斗時(shí)（圖6-9中的f），各個(gè)雨水斗泄流量變化很大。離立管越遠(yuǎn)，泄流量越小，5個(gè)雨水斗泄流量之比為1152280196。距離立管最近的兩個(gè)雨水斗泄流量之和已占總泄流量的87.8，第3個(gè)及其以后的雨水斗形同虛設(shè)。比較圖6-9中的b與f兩種情況還可以看出，近立管雨水斗泄流量和總泄流量基本相同，f中其余4個(gè)雨水斗泄流量之和(11.82Ls)比b中離立管較遠(yuǎn)的一個(gè)雨水斗的泄流量(12Ls)還小。6.2雨水內(nèi)排水系統(tǒng)中的水氣流動(dòng)規(guī)律6.2.2 多斗雨水排水系統(tǒng) 重力半有壓流的多斗雨水排水系統(tǒng)中，一根懸吊管連接的雨水斗不宜過多，雨水斗之間的距離不宜過大，雨水斗應(yīng)盡量靠近立管。 在飽和階段，多斗雨水排水系統(tǒng)的每個(gè)雨水斗都被淹沒，空氣不會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)為水一相流，懸吊管和立管