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1、虹吸式雨水排水系统实验装置的研制与实践付四立;张晓红;何恩科;任拥政【摘 要】研制了一种可以实现虹吸式雨水排水系统的实验装置,该装置可以实现雨 水排放的静态实验和动态模拟过程.记述了虹吸式雨水排水系统的实验原理,提出了 可以开展的4 种实验,为学生掌握虹吸式雨水排水系统的原理和技术提供了坚实的 基础.期刊名称】实验技术与管理年(卷),期】2010(027)002【总页数】3页(P50-52) 【关键词】 雨水;排水系统;虹吸实验装置【作 者】 付四立;张晓红;何恩科;任拥政【作者单位】 华中科技大学,环境科学与工程学院,湖北,武汉,430074;北京排水集团 小红门污水处理厂,北京,10017
2、6;北京速派科技发展有限公司,北京,102600;华中科 技大学,环境科学与工程学院,湖北,武汉,430074【正文语种】 中 文【中图分类】 TU823虹吸式雨水排水系统最早于1968 年在芬兰得到应用之后,相继在欧、美、日本等许多国家得到推广1。虹吸式雨水排水系统与传统重力流雨水排水系统相比,悬吊 管接入的雨水斗数量增多,立管数量大大减少,具有管道直径小、水平悬吊管无须坡 度和建筑适应性好等优点2。它广泛被应用于大型厂房、展览馆、候机楼、体育 馆等跨度大、结构复杂的屋面。利用虹吸原理,采用屋面“雨水虹吸”,是解决屋面 排水的有效途径。据不完全统计,采用虹吸式排水系统的工程项目有近4万个、约
3、3 000万m2屋面排水面积，我国建筑给水排水设计规范(GB500152003)中 也针对虹吸式屋面雨水排水管道的设计特别作了规定。这表明虹吸式屋面雨水排水 系统在我国己逐步走向成熟,在国内的浦东国际机场航站楼3、上海科技馆4、海 南美兰飞机维修机库5、宁波大剧院6、国家体育场“鸟巢”7等很多建筑屋面 都得到得到应用。但是在本科生的教学过程中对于虹吸式雨水排水系统的介绍却几 乎没有涉及到,实验室的模拟实验装置更是一个空白。为此,本实验室在此领域进行 了一定的探索。本着创新思路进行虹吸式雨水排水系统装置的研制,力争建成最先进的虹吸式雨水 排水系统的实验装置。主要研制思路如下:(1) 在满足实验需
4、要条件下,为了节省资金,实验平台力求尺寸小、结构紧凑,同时又能 再现实际雨水排放的模拟过程。(2) 一套装置多种用途。实验装置将防漩涡雨水斗设计成分离式,安装上防漩涡雨水 斗可以模拟虹吸式雨水排水系统 ,移开防漩涡雨水斗可以模拟重力流雨水排水系统。 可以实现动态的雨水排水系统,也可以通过顶部配水槽的蓄水完成静态排水实验。 测定管道流量变化与压力变化的相关规律。(3) 体现最先进的虹吸式雨水排水系统。2.1 实验装置构成该实验装置由底部储水箱(尺寸为1.5 mx1 mx 1 m),顶部配水槽(尺寸为5 mx0.5mx0.5 m)、上水系统及3组虹吸式雨水排放系统(高度均为6.3 m)组成。其中2
5、 组为单斗排放系统，另一组为3斗排放系统。单斗排放系统管径分别为90 mm和 110 mm;3斗排放系统管径为110 mm。3组系统由底部的球阀控制，可以单独完 成排水模拟实验,也可并联完成排水模拟实验。在每个单斗排放模拟系统中从上到 下安装有3个真空压力表,在3斗排放模拟系统上从右到左、从上到下各安装有6 个真空压力表,共12个真空压力表,真空压力表的编号见图1,其中9号表为精密真 空压力表。由上水系统蝶阀的开启度调节可以真实地模拟虹吸式屋面雨水排水系统 的全过程。2.2 实验装置操作2.2.1 静态实验 关闭3组排放系统上的球阀,开启水泵以启动上水系统;待顶部配水槽水面达到一定 高度（一般
6、为雨水斗上部300 mm左右）后关闭水泵;开启要测试的排放系统上的球 阀;同时记录配水槽的液面高度和时间,记录虹吸过程完成时的时间和液面高度,读出 相应排放系统上真空压力表的读数,最后完成数据处理。2.2.2 动态实验关闭2组排放系统上的球阀,开启要测试的排放系统上的球阀,开启水泵以启动上水 系统;调节上水系统上的蝶阀开启度,依次形成波浪流、脉冲流（脉动流）、活塞流（拉 拔流）、泡沫流（乳化流）、满管流5个过程;记录不同过程中真空压力表的读数变化, 利用超声波流量仪测定满管流时管内流量的变化。静态实验可很好地模拟虹吸满管流的过程,可测定雨水斗上部不同液面高度的最大 排水流量值和管道内压力的变化
7、。动态实验可控制上水量并真实地模拟虹吸雨水斗 在实际排水过程中的各种流态变化。3.1 实验装置原理 虹吸式屋面雨水排水系统是近年来发展起来的新型雨水排泄系统 ,由防漩涡雨水斗 雨水悬吊管、雨水立管和雨水出户管组成。该系统排水管均按满流有压状态设计。 降雨初期,屋面雨水高度未超过雨水斗高度时,整个排水系统工作状态与重力排水系 统相同。随着降雨持续,雨量增加,当屋面雨水高度超过雨水斗高度时,由于采用防漩 涡雨水斗,通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态,可减少漩涡,从而极大地减少 了雨水进入排水系统时所夹带的空气量,使系统中排水管道呈满流状态。利用建筑 物屋面的高度和雨水所具有的势能,在雨水连续流
8、经雨水悬吊管并转入雨水立管跌 落时形成虹吸作用,并在该处管道内呈最大负压。屋面雨水在管道内负压的抽吸作 用下以较高的流速被排出。当超过设计重现期时,再提高系统的流量必须升高屋面 水位,但升高的屋面水位与原有总水头（建筑高度）相比仍然很小,系统的流量增加亦 很小;因此,超重现期雨水必须由溢流设施排除,其管道内水流是附壁膜流、气水混合 流及水一相流交替出现。3.2 虹吸形成过程 虹吸式雨水排放系统形成的虹吸过程,分波浪流、脉冲流（脉动流）、活塞流（拉拔流） 泡沫流（乳化流）、满管流等5个阶段。在降雨初期,雨水排水系统悬吊管内的雨水为非满管流,以波浪流和脉冲流为主,系统 处于重力流状态;随着雨量的增
9、大则斗前水深逐步增大,水流逐步过渡到活塞流和泡 沫流,并间歇性地产生虹吸满管流流态,悬吊管内出现较明显的负压。世界知名的虹 吸系统供应商和专业机构基于大量的实验数据和理论验证得出结果:当管道内流体 与空气的混合度达到60%而形成泡沫流时即可以发生稳定的虹吸现象8-9。虹吸 的形成使系统排水能力突然增大,斗前水深又会回落,系统重新回到重力流方式。这 种变换会来回持续一段时间,直到降雨量进一步增大,斗前水深趋向稳定,系统掺气量 减少,最终形成稳定的虹吸满管流。3.3 工作原理虹吸式屋面雨水排除系统是在一相流状态下满管流运行的,水力分析如图2所示。 系统的工作原理符合水流运动的能量守恒及其转化定律,
10、即伯努利方程:式中,H为位置水头,p为动水压强,为水的密度,v为水的流速,h为水头损失,g为重力加速度。等式右边第1项称为位置水头,第2项称为压力水头,第3项是速度水 头,第4项是两断面间的水头损失,各项均具有长度的量纲。由于式中,p2=0,v2=0,hx二H-Hx,故有式中px为管道x断面处的压力水头。式(2)是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式,它的物理含义是管道中任一点 的压力水头等于该点与雨水斗的高度差减去该点的速度水头及该点至雨水斗管段的 总水头损失。通过改变断面x在管道系统的不同位置，可以清楚地判明全系统的压力。在雨水斗 的接出管上,由于一般的虹吸式雨水斗都有较大的水头损失,加
11、上雨水斗的出水管较 细,管道内流速较快,速度水头较大,两项之和与可利用的水头之差的绝对值不大,雨水 斗以下的连接管内呈小的负压或正压。在悬吊管上，随着x断面从悬吊管的最远端 向立管一侧偏移,管道的水头损失迅速增加,而可利用的水头维持不变,按式(2)计算的 结果,管内呈不断增大的负压,在与立管的交叉点处负压最大。其后,从立管与悬吊管 交点向下,可利用的水头迅速增加,大大超过因管道长度增加而增加的水头损失,立管 内的负压值也随之很快减少至零,继之出现逐渐增加的正压,立管底部达到最大值后 再逐渐减少,正压逐渐被消耗,至排水井处与大气相通,管道中的压力为零,雨水斗的进 水水面至排出口的总高度差,即有效
12、作用水头全部用尽。(1) 测定虹吸式雨水排放系统的最大流量与压力变化。在不同压力流雨水斗斗前水 深下,立管的最大流量和管道不同位置的压力变化情况。斗前水深可以从30 mm 变化到400 mm。(2) 完成与传统自由堰流式雨水斗的对照实验。将虹吸式雨水斗上的整流罩取下,即 变成传统自由堰流式雨水斗,在相同的斗前水深条件下,测定立管的最大流量和管道 不同位置的压力变化情况,并与虹吸式雨水排放进行对照。(3) 测定单位长度的阻力损失。在立管上,选取单位长度的直管作为实验管段,在实验 管段的上端和下端各设置一个超声波速度仪,测得压力变化曲线,记录后将相关数据 代入式(2),即可得出单位长度的阻力损失。
13、将此数值代入海曾-威廉公式,可以计算 出公式中的参数,为管道的设计计算提供依据。(4) 测定局部阻力系数。选取包含一个管道配件的单位长度的管道,利用实验(3)的方 法测出其单位长度的阻力损失,减去实验(3)中得出的单位长度直管上的阻力损失,此 差值认为是通过此管道配件的局部阻力,代入局部阻力计算公式,可以计算出此管道 配件的局部阻力系数。【相关文献】1 肖健松，李绍琦,林先环屋面雨水虹吸排水系统技术与施工要点几广州建筑,2005(2):14-16.2 石颖，柯水洲,马晶伟大面积屋面雨水虹吸排除系统的设计J.中夕卜建筑,2005 5):32-33.3 徐扬瞿迅浦东国际机场航站楼屋面雨水排水系统的
14、设计比较J.给水排水,2000,26(4) :43-47.4 徐风上海科技馆屋面雨水压力流排水系统J.给水排水,2001,27 (10):63-66.徐志通，童球压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的设计与应用J.给水排水,2002,28(6):48-53.6 李永奎，吴哲元,罗志文虹吸式排水系统设计施工要点及优越性一宁波大剧院屋面排水系统比较J. 建筑施工,2003,25(6): 492-494.7 刘鹏，郭汝艳屆家体育场屋面雨水排水系统初步设计简介J.给水排水,2004,30(8) :84-86.8 孙瑛压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统水力计算J.给水排水,2002,28:77-81.9 温武浅谈虹吸式屋面雨水排水系统J.给水排水动态,2006(2): 10-12.
虹吸式雨水排水系统实验装置的研制与实践
