公共建筑單出口虹吸排水系統運行特性試驗與數值研究

摘要：對于大型公共建筑，虹吸排水系統有利于建筑安全和運行。然而，傳統的虹吸排水系統基于全管流量設計，僅適用于特定標準，無法評估從啟動到整個虹吸形成過程的詳細流量特性。因此提出全尺寸的單出口虹吸排水系統實驗平臺，以研究虹吸排水的流動特性。并建立虹吸排水系統的全尺寸數值模型，進一步研究管道直徑、排水量和管道坡度對水力性能4個要素的影響。實驗結果表明：當懸浮管內的空氣耗盡，立管內的空氣較小時，可以確定虹吸滿管流完全形成。此時，如果取水量大于排量，則系統繼續以全流量狀態運行。在相同水量下，減小管道直徑可以有效降低水位高度，但同時也會增加滿水程度。在直徑較大的管道中，坡度越小，水力躍遷的能量耗散越弱，水力躍遷的持續時間越長。

關鍵詞：公共建筑單出口虹吸排水系統（單出口虹吸排水系統？？）運行特性數值模擬

中圖分類號：TU823

Experimental and Numerical Research on the Operational Characteristics of the Single-Outlet Siphon Drainage System in Public Buildings

WENZhifang

Hunan CityUniversity Design and Research Institute Co.， Ltd.，Changsha，Hunan Province，410000 China

Abstract：Fora large-scale public building， the siphon drainage systemis beneficial for the safety and operation ofthe building. However， the traditional siphon drainage systemis based on full-pipe flow design and is only applicable to specific standards， making it impossible to evaluate the detailed flow characteristics from start-up to the entire siphon formation process. Therefore， a full-scale experimental platformfor the single-outlet siphon drainage system is proposed to study the flow characteristics of siphon drainage， and a full-scale numerical model of the siphon drainage system is established to further study the effects of the pipe diameter， drainage volume and pipeline slope on the four elements of hydraulic performance. Experimental results indicate that it can be determined that the siphonic full-pipe flow is completely formedwhen the air inside the suspension pipe is depleted and the air inside the riser is less. At this point， if water intake exceeds displacement， the system will continue to operate at full flow. Under the same amount of water， reducing the diameter of the pipe can effectively lower the height of the water level， but also increase the full water level. In pipes with larger diameters， the smaller the slope， the weaker the energy dissipation of the hydraulic transition， and the longer the duration of thehydraulic transition.

Key Words：Public building; Single outlet;Siphon drainage system; Operating characteristic; Numerical simulation

虹吸式排水系統在山體滑坡、屋頂得到了廣泛應用[1]。虹吸式排水系統其高效的排水性能，已逐漸成為大多數大型公共建筑排水系統重要的組成部分。與傳統的屋頂排水系統相比，虹吸式屋頂排水系統能夠避免空氣進入系統，從而創造虹吸所需的全管道流動條件[2]。

虹吸屋頂排水系統對大多數大型公共建筑具有顯著的優勢，如排水效率較高、運行中的結構較少、對建筑的影響小等。雖然虹吸式屋面排水系統中不可避免地會進入少量夾帶空氣，但目前虹吸式排水系統仍具有較高的排水能力。然而，當虹吸系統遇到低于設計標準的降雨條件或超過特定標準的暴雨條件時，無法采用穩態設計的方法。

1 實驗方法與設計

1.1 實驗設備

單出口虹吸排水系統由頂部水箱、虹吸雨水出口和排水管組成。頂部水箱可以蓄水，并將排水系統與水合供應系統連接起來，可以讓人更直觀地觀察雨水口的流量和水箱內液面的變化。在供水口上方安裝隔水層，主要目的是確保水位平穩。并采用普通 TY56 虹吸雨水口連接內徑相同的尾水管，尾水管水平端為錐形，連接直徑較大的懸浮管（懸浮管設計為無坡度）[3-4]。

懸浮管的末端通過彎頭與垂直立管相連，立管的末端設置為自由流出。并使用全透明排水管，確保管道內流動狀態的可視化觀察。本實驗水合系統包括一個長、寬、高分別為1500mm×1500mm×1000 mm的水箱，一根80 mm 的供水管和一臺水泵。其中水泵為離心泵，額定流量為86.6 m3/h，額定揚程為24 m，并安裝蝶閥，調節供水量以模擬各種降雨情況[5]。且在實驗之前，用足夠的水排空水泵中的空氣，以消除夾帶空氣的影響。

為進一步研究單出口虹吸排水過程中的動態變化規律，選擇3個監測點來記錄流量特性和壓力的變化。在懸浮液的起點和終點各安裝壓力監測器。在懸浮管道的首端和末端安裝壓力變送器。在虹吸形成過程中，當管道滿溢時，負壓達到最大值。為避免上下游管徑突變造成的影響，監測點選擇在距離突變點懸浮管徑10倍以上的位置[6]。并在監測點 1 和 3 上安裝了壓力變送器。并采用間接法獲得流量實時位移。在供水管上安裝流量計測量供水量，并在頂部水箱底部布置液位測試點[7]，通過供水量和液位的變化來反映水的位移變化。為進一步確保精確度和響應時間，使用電磁流量計，并使用Keysight示波器和無紙記錄儀同時測量液位、壓力和流量變化。

1.2 數值模式

虹吸排水現象作為一種具有代表性的復雜水氣兩相混合流動過程，在使用數值計算時要注意液氣表面的瞬態流場特征。以往的研究通常采用流體體積計算模型來跟蹤自由表面，具有較好的拓撲穩定性和局部守恒性。因此，本文利用三維雷諾平均N-S方程、k-e湍流模型和VOF模型來模擬流動狀態[8-9]。且進一步研究管道直徑、排水量和管道坡度對水力性能4個要素的影響。實驗中使用2種管道直徑（De110和De90）、3種排水量（3.0L、4.5L和 6.0 L）和3種管道坡度（0.012、0.008 和 0.004）[10]。

1.2.1 控制方程

由于本文只考慮流動問題，虹吸排水系統中三維非穩態流動的質量和動量方程可以用式（1）～式（4）表示。

（1）質量守恒方程。

（1）

（2）動量守恒方程式。

（2）

（3）

（4）

式中，u、v、w分別為x、y、z坐標方向上流速的分量；q為流體密度；l為水動力黏度；p為流體壓力；SMx、SMy和SMz為流體源。

1.2.2 數值模型建立

水箱和立管的上平面被視為壓力出口，水箱上表面的空氣體積分數設為1。水箱頂部底部管道入口設為質量流量入口，水體積分數設為1。且將邊界條件設定為粗糙度高度為0.06mm的墻體。為便于數值計算，忽略水箱兩側的水分布，初始化前必須確定初始液位。除上述設置外，并在墻體創建流量監測斷面和壓力監測點，研究虹吸形成過程中的流量和壓力變化。在虹吸形成過程中，考慮點2和3點的流量變化來驗證模擬的精度。進口初始流量20 kg/s，懸掛管10 m。根據細化域的網格大小，生成3種類型的網格（粗、中、細網格）。3種網格的最小尺寸分別為0.01m、0.008m和0.006 m，并設定介質網格與細網格之間的最大誤差小于5%。而網格尺寸越小，渦旋結構就越完整。因此，中等網格足以滿足本研究的目的，網格尺寸設定為0.008 m。

2結果與討論

2.1 流量狀態比較

其中水箱進水流量設置為相對較大的值（20 l/s），與實驗記錄的虹吸排水系統虹吸過程一致。首先通過尾管進入懸浮管，由于懸浮管壓力突然升高，處于波浪狀態。在這種狀態下，管道內的位移小于流入的水量，水箱內的水位迅速上升至降雨出口的頂部以上，通過降雨出口進入該排水系統的空氣減少。因此，尾管首先經歷全管流動。水流繼續沿著懸浮管的方向發展。由于摩擦阻力的影響，懸浮管內存在明顯的跳水現象，然后形成堵塞的氣段。雖然水流在管道下游流動時攜帶了少量的空氣，但堵塞的部分依舊存在。直到水流發展到立管頂部，懸浮管中的負壓達到較大值，在水流和負壓的共同作用下，整個阻塞空氣段繼續向下游移動。且當阻塞的空氣段通過時，內壁上的負壓會短暫上升。當懸浮管內的空氣耗盡，立管內的空氣較小時，可以確定虹吸滿管流完全形成。此時，如果取水量大于排量，則系統繼續以全流量狀態運行。相反，液位下降導致外部空氣通過降雨出口進入系統，破壞整個管道流動狀態。

在數值計算中觀察到的降雨出口周圍的流動特性與實驗中觀察到的相似。當頂部水箱水位高于降雨出口時，仍有少量空氣被在上風門邊緣附近形成的微小渦流吸入管道系統。當液位相對較低時，大量的空氣從空氣阻尼器的側面進入該系統。

2.2 水力跳躍特性

De110和De90的管徑、水位高度變化如圖1所示。在試驗條件下，隨著距離的增加，水平主排水溝上的水位高度均在開始時上升，然后下降。峰值位于垂直管道中心30 cm處，表明管道直徑和排水量的變化不會影響固定坡度下主排水溝的水力躍升位置。De110和De90管徑的水位峰值分別下降7.7%和 15.5%，而排水量則從6.0 L下降到4.5 L和3.0 L。與De110直徑下的數值相比，當水量為 6.0、4.5和3.0 L 時，De90 直徑下的水位峰值分別下降12.9%、7.9 %和 4.4%，進一步說明在相同水量下，減小管道直徑可以有效降低水位高度，但同時也會增加滿水程度。圖1為De110和De90管徑、水位高度以及不同坡度下橫。

在圖2中，與圖1類似，在試驗條件下，隨著與垂直管道中心距離的增加，各條件下的水位高度均呈先上升后下降。峰值都出現在30 cm處，表明水平總排水管中管道坡度的變化并不影響水力躍升的位置。在坡度相同的情況下，De90 管徑處的水位高度峰值比 De110管徑處的水位高度峰值高9.6%～12.2%，進一步表明縮小管徑會導致飽滿度升高。這一結果與圖2中的結果一致。當管徑固定時，隨著水平干渠水力躍層躍段及其后躍段坡度的增大，水位高度和飽滿度均略有降低。在管徑為De110和De90的情況下，水位峰值分別降低0.3%和 0.7%，而坡度則從0.004增加到0.008和0.012。在管徑為De110的情況下，坡度分別為0.004、0.008、0.012，在距橫管起點40 cm處的峰值水位與距橫管起點30 cm處相比，分別衰減0.3%、1.9%、8.3%。然而，在相同情況下，管道直徑為De90時的衰減分別為7.7%、4.7%和8.0%。進一步表明：在直徑較大的管道中，坡度越小，水力躍遷的能量耗散越弱，水力躍遷的持續時間越長。根據能量守恒原理，由方程（5）給出了跳躍前后截面的能量方程。

（5）

其中，Z1和Z2 分別表示躍層前和躍層后地段的潛在水頭。Z1 和 Z2 之間的差異主要是由水平主排水溝的坡度差異造成的，坡度越大，差異越大。h1和h2表示躍前和躍后地段的壓力水頭。由于虹吸排水系統屬于重力流，其值等于兩段水位的高度。V12/2 g 和 V22/2 g 分別為躍進前和躍進后斷面的速度水頭。△H為兩段之間的水頭損失，主要包括水力躍升引起的局部水頭損失和管道摩擦水頭損失。當水流從垂直管道流入水平主排水溝時，幾乎所有的勢能都轉化成了動能。此處出現了急流。在急流段末端，由于管壁的阻力，流速降低，水位上升，形成水力躍升。且排水量、坡度和管道直徑對水位高度及其衰減速度有影響。

2.3 水流速度特性

沉積在水平主排水溝中的固體的初始移動速度是由下一次沖洗水流的沖擊力造成的。因此，流速通常被用作確定水平干渠固體輸送性能的重要依據。表1為不同水量的De110和De90管徑下橫向干管流速的衰減情況。

由表1可知，對于De110和De90管徑，當排水量從6.0 L減少到4.5 L和3.0 L 時，相應的最大流速分別降低20.3%和33.5%，16.8%和39.5%。同時，最大垂直排水管的距離減少32.0%和 50.7%、25.0%和 43.2%。進一步表明，隨著排水量的增加，流速呈增加趨勢。與 De90 的管道直徑相比，De110 的初始流速更大。然而，由于 De110 的衰減速度較快，其流速在后期被 De90 超過。在排水量為 6.0 L的情況下，De110和De90的最大垂直排水管的距離相同。但當排水量從6.0 L減少到4.5 L和3.0 L 時，最大垂直排水管的距離分別增加10.3%和15.3%。

3 結論

為進一步研究單出口虹吸排水過程中的動態變化規律，本文選擇3個監測點來記錄流量特性和壓力的變化。在懸浮液的起點和終點各安裝壓力監測器。在懸浮管道的首端和末端安裝壓力變送器。主要結論如下。

（1）由于摩擦阻力的影響，懸浮管內存在明顯的跳水現象，然后形成堵塞的氣段。雖然水流在管道下游流動時攜帶了少量的空氣，但堵塞的部分依舊存在。直到水流發展到立管頂部，懸浮管中的負壓達到較大值，在水流和負壓的共同作用下，整個阻塞空氣段繼續向下游移動。

（2）當頂部水箱水位高于降雨出口時，仍有少量空氣被在上風門邊緣附近形成的微小渦流吸入管道系統。

（3）在坡度相同的情況下，De90 管徑處的水位高度峰值比 De110管徑處的水位高度峰值高9.6%～12.2%，進一步表明縮小管徑會導致飽滿度升高。且在急流段末端，由于管壁的阻力，流速降低，水位上升，形成水力躍升。且排水量、坡度和管道直徑對水位高度及其衰減速度有影響。

（4）隨著排水量的增加，流速呈增加趨勢。與 De90 的管道直徑相比，De110 的初始流速更大。然而，由于 De110 的衰減速度較快，其流速在后期被 De90 超過。在排水量為 6.0 L的情況下，De110和De90的最大垂直排水管的距離相同。

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