雨水排水系统中的水气流动规律

回到本章目录回到总目录第6章建筑屋面雨水排水系统6.2雨水内排水系统中的水气流动规律回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统雨水从屋面流入雨水斗用管道输送到雨水井或地面，其间没有能量输入，水体的这种流动通常称为重力流动。屋面雨水进入雨水斗时，会挟带一部分空气进入雨水管道，所以，雨水管道中泄流的是水、气两种介质。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统这些变化受到天沟距埋地管的位置高度H、天沟水深h、悬吊管的管径、长度、坡度及立管管径等诸多因素的影响。其变化规律是合理设计雨水排水系统的依据。降雨历时、汇水面积和天沟水深影响了雨水斗斗前的水面深度h，雨水斗斗前水面深度又决定了进气口的大小和进入雨水管道的相对空气量的多少，进入雨水管道的相对空气量的多少直接影响管道内的压力波动和水流状态，随着雨水斗斗前水深h的不断增加，输水管道中会出现重力无压流、重力半有压流和压力流（虹吸流）三种流态。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统降雨开始后，降落到屋面的雨水沿屋面径流到天沟，再沿天沟流到雨水斗。随降雨历时的延长，雨水斗斗前水深不断增加，见图6.2.1。图6-6“”雨雨水斗前水流状态图6-6雨水前水流状态回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统进气口不断减小，系统的泄流量Q、压力P和掺气比K随之发生变化，见图6-7。掺气比是指进入雨水斗的空气量与雨水量的比值。图6-7图6-7回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统在初始阶段，降雨刚刚开始，只有少部分汇水面积上的雨水汇集到雨水斗，天沟水深较浅。随着汇水面积的增加，天沟水深增加较快，雨水斗泄流量也增加较快。但泄流量和水深的增长速度变缓。1.初始阶段（0≤t＜tA，α＜1/3)⑴雨水斗和连接管按降雨历时t，系统的泄流状态可分为三个阶段：降雨开始到掺气比最大的初始阶段（0≤t＜tA），掺气比最大到掺气比为零的过渡阶段(tA≤t＜tB）和不掺气的饱和阶段(t≥tB)。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统在这一阶段，因天沟水深较浅，雨水斗大部分暴露在大气中，雨水斗斗前水面稳定，进气面积大，而泄水量较小，所以掺气比急剧上升，到tA时达到最大，见图6-6.a.因泄水量较小，充水率α＜1/3，雨水在连接管内呈附壁流或膜流，管中心空气畅通，管内压力很小且变化缓慢，约等于大气压力。雨水由连接管进入悬吊管后，因泄水量较小，管内是充满度很小（h/D＜0.37）的非满流,呈现有自由水面的波浪流、脉动流、拉拨流,水面上的空气经连接管和雨水斗与大气自由流通，悬吊管内压力变化很小。⑵悬吊管与立管回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统立管管径与连接管管径相同，立管内也是附壁水膜流。因立管内雨水流速大于悬吊管内的流速，雨水会挟带一部分空气向下流动，其空间会由经雨水斗、连接管、悬吊管来的空气来补充，所以，立管内压力变化也很小。因泄水量与悬吊管相同，排出管和埋地干管内的流态与悬吊管相似，也是充满度很小有自由水面的波浪流、脉动流，系统内压力变化很小。⑶埋地干管回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统由以上分析可以看出，单斗雨水系统的初始阶段，雨水排水系统的泄流量小，管内气流畅通，压力稳定，雨水靠重力流动，是水气两相重力无压流。在过渡阶段，随着汇水面积增加，雨水斗斗前水深逐渐增加，因泄流量随水深增加而加大，所以这个阶段水深增加缓慢，近似呈线性关系。2.过渡阶段（tA≤t＜tB，1/3≤α＜1）⑴雨水斗和连接管回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统因泄流量逐渐增加，管内充水率增加，而管道断面积固定不变，所以，泄流量的增长速率越来越小。因大气压力、地球引力和地球自转切力的共同作用，当天沟的水深达到一定高度时，在雨水斗上方，会自然生成漏斗状的立轴旋涡，雨水斗斗前水面波动大。见图6-6b。随着雨水斗前水位的上升，漏斗逐渐变浅，旋涡逐渐收缩，雨水斗进气面积和掺气量逐渐减小，而泄流量增加，所以掺气比急剧下降，到tB时掺气比为零。因泄水量增加和掺气量减少，管内频繁形成水塞，出现负压抽力，管内压力增加较快。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统连接管内频繁形成水塞的气水混合流进入悬吊管后流速减小，雨水与挟带的空气充分混合，形成没有自由水面的满管气泡流、满管气水乳化流，管内压力波动大。⑵悬吊管与立管悬吊管的水头损失迅速增加，因可利用的水头几乎不变，所以，管内负压不断增大。由单斗雨水系统压力实测资料可得单斗雨水排水系统管内压力分布示意图。见图6-8。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统从中可以得出，悬吊管起端呈正压，悬吊管末端和立管的上部呈负压，在悬吊管末端与立管连接处负压最大。上部形成负压图6-8单斗系统管内压力分布示意图下部形成正压回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统气水混合物流入立管后，由横向流动变成竖向流动，流速增加，但不足部分不能由空气来补充。为达到平衡，抽吸悬吊管内的水流，水气紊流混合。形成水塞流、气泡流、气水乳化流。随着水流沿立管向下流动，可利用的水头迅速增加，立管内的负压值迅速减小，至某一高度时压力为零。再向下管内压力为正，压力变化曲线近似呈线性关系，其斜率随泄流量增加而减小，零压点随泄流量增加而上移，满流时零压点的位置最高。回到本章目录回到总目录高速挟气水流进入密闭系统的埋地管后，流速急骤减小，其动能大部分用于克服水流沿程阻力、转变为水壅，形成水跃，水流波动剧烈，是使立管下半部产生正压的主要原因。水中挟带的气体随水流向前运动的同时，受浮力作用作垂直运动扰动水流，使水流掺气现象激烈，形成满管的气水乳化流，导致水流阻力和能量损失增加。6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统⑶埋地干管因横干管内的流速比立管流速小，水气在立管下部进行剧烈的能量交换，水气完全混合，所以立管底部正压力达到最大值。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统水流在埋地横管内向前流动过程中，水中气泡的能量减小，逐渐从水中分离出来，聚积在管道断面上部形成气室，并具有压力作用在管道内雨水液面上。虽然气室占据了一定的管道断面积，使管道过水断面减小，但同时有压力作用在水面上，水力坡度不再仅是管道坡度一项，还有液面压力产生的水力坡度，这又增加了埋地管的排水能力。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统对于敞开式内排水系统，立管或排出管中的高速水流冲入检查井，流速骤减，动能转化成位能，使检查井内水位上升。同时，挟气水流在检查井内上下翻滚，使井内水流旋转紊乱，阻扰水流进人下游埋地管。水中挟带的气体与水分离，在井内产生压力。在埋地管起端，因管径小，检查井内的雨水极易从井口冒出，造成危害。由以上分析可以看出，单斗雨水系统的过渡阶段的泄流量较大，管内气流不畅通，管内压力不稳定，变化大，雨水靠重力和负压抽吸流动，是水气两相重力半有压流。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统到达tB时刻，变成饱和阶段。这时天沟水深淹没雨水斗，雨水斗上的漏斗和旋涡消失，见图6-6c。3.饱和阶段（t≥tB，α＝1）⑴雨水斗和连接管不掺气，管内满流。因雨水斗安装高度不变，天沟水深增加所产生的水头不足以克服因流量增加在管壁上产生的摩擦阻力，泄流量达到最大，基本不再增加。所以天沟水深急剧上升，泄水主要靠负压抽力，所以雨水斗和连接管内为负压。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统因雨水斗完全淹没不进气，所以悬吊管、立管和埋地横干管内都是水单相流，受位能和系统管路压力损失的制约，悬吊管起端管内压力可能是负压也可能是正压。⑵悬吊管与立管随悬吊管的延伸,管内压力逐渐减小，负压值增大，至悬吊管与立管的连接处负压值最大，形成虹吸。立管内的压力变化规律与过渡阶段末端相似，由负压逐渐增加到正压。在立管与埋地管连接处达到最大正压。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统雨水进入埋地干管向前流动过程中，水头损失不断增加，而可利用水头H不变，所以，埋地干管正压值逐渐减少，至室外雨水检查井处压力减为零，从屋面雨水斗斗前的进水水面至埋地干管排出口的总高度差，即有效作用水头H，全部用尽。⑶埋地干管由以上分析可以看出，单斗雨水系统饱和阶段的雨水斗完全淹没，不掺气，管内满流不掺气，雨水排水系统的泄流量达到最大，雨水主要靠负压抽吸流动，是水单相压力流。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1单斗雨水系统通过以上对单斗雨水排水系统各个组成部分的水流状态、压力变化规律和泄水量大小的分析，压力流状态下系统的泄流量最大，重力流时泄流量最小。在重力半有压流和压力流状态下，雨水排水系统的泄水能力取决于天沟位置高度、天沟水深、管道摩阻及雨水斗的局部阻力，其中主要取决于天沟位置高度。雨水斗离排出管的垂直距离越大，产生的抽力越大，泄水能力也就越大。系统最大负压在悬吊管与立管的连接处，最大正压在立管与埋地横干管的连接处。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.2多斗雨水排水系统一根悬吊管上连接2个或2个以上雨水斗的雨水排水系统为多斗雨水系统，这些雨水斗都与大气相通，当雨水斗斗前水深较浅时，从连接管落入悬吊管的雨水，产生向下冲击力，在连接管与悬吊管的连接处，水流呈八字形，向上游产生回水壅高，对上游雨水的排放产生阻隔和干扰作用，使上游雨水斗的泄水能力减小。1.初始和过渡阶段6.2.2多斗雨水排水系统回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.2多斗雨水排水系统在初始和过渡阶段，多斗雨水系统中雨水斗之间相互干扰的大小与悬吊管上雨水斗的个数、互相之间的间距及雨水斗离排水立管的远近有关。即使每个雨水斗的直径和汇水面积都相同，其泄流量也是不同的。回水线长度与管径、坡度、泄流量及管内压力有关。初始阶段泄流量小，管内空气流通，气压稳定，回水线长，随泄流量的增加，管内产生负压抽吸，雨水在重力半有压流状态下流动时，则回水线缩短。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.2多斗雨水排水系统图6-9多斗系统雨水泄流规律图6-9是立管高度为4.2m，天沟水深为40mm时多斗雨水排水系统泄流量的实测资料，图中数据为泄流量，单位为L／s。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.2多斗雨水排水系统由图中的数据可以看出，离立管近的雨水斗泄水能力大；离立管远，则泄水能力小。这是因为沿水流方向悬吊管内的负压值逐渐增大，离立管近的雨水斗受到的负压抽吸作用大，由雨水斗流到立管的水头损失小，所以泄流能力大；而离立管远的雨水斗受到的负压抽吸作用小，且排水流程长，水流阻力大，还受到近立管处的雨水斗排泄流量的阻挡和干扰，泄流能力小。因离立管远的雨水斗泄水能力小，该雨水斗处天沟水位上升快，雨水斗可能淹没。为防止屋顶溢水，天沟水深不可能无限增高，所以近立管雨水斗不可能淹没。这样近立管雨水斗泄水时总要掺气，立管内呈水气两相流。回到本章目录回到总目录6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.2多斗雨水排水系统在设两个雨水斗，且近立管雨水斗至立管距离相等的情况下（图6-9中的b、c、d、e），总泄流量基本相同。随着2个雨水斗间距的增加，近立管雨水斗泄流量逐渐增加，远离立管雨水斗泄流量逐渐减小，但变化幅度不大。当两个雨水斗间距相同(图6-9中的a和c)，距离立管不同时，两个雨水斗泄流