1、水管的屋面排水系统分析利用非恒定流理论水专业毕业论文翻译译文 建筑与环境 36 (2001) 939948 利用非恒定流理论分析虹吸式屋面排水系统S. Arthur , J.A. Swa*eld英国EH14-4AS苏格兰爱丁堡，赫瑞瓦特大学建筑工程和测量部门2000年4月17日收到 ;； 2000年4月17审核;；2000年6月12日发表摘要在过去的三年里，一项英国协会研究项目已经在进行中，即赫瑞瓦特大学研究的虹吸式屋面雨水系统。本文旨在介绍迄今为止的相关理论。对试验结果和数字指标进行简短描述。记录发生在理想化系统的启动状况。本文描述了虹吸设备试验的程序，并且试验结果用图表分析。在某些细节上，
2、使用数字模型的框架对周围的水力学特性进行描述。关于虹吸式屋面排水系统的运行特征将在文章中做整体描述。关键词：屋面排水 虹吸式屋面排水系统 特征方法1、背景虹吸式屋面排水系统已经存在大约30年了。在这段时间，由于虹吸式排水系统更具有优势和好处，建筑业渐渐的青睐虹吸排水系统。虹吸式排水系统的诸多优点主要是因为它可以在负压状态下运行。但是，一些期望的优势仅仅只能在设计工况出现 例如 ，一场典型暴雨的重现期超过30年。当设定了工作程序，众所周知绝大多数势不可挡的降雨事件，就算是虹吸系统的排水量都远小于设计工况。再加上虹吸式排水系统存在很多运行故障和难题，这就使得很多科研人员坚信，在将来，虹吸式排水系统
3、是个值得研究的课题。 2、研究目的与对象虹吸式雨水排水系统取决于在市政雨水管网与屋面雨水排除管道之间的满管流动状态的形成。使用封闭的管道代替传统多相性雨水管，这为工程设计带来了许多好处，实践证明，正是这种变革，虹吸式排水系统广泛的运用到飞机场，大型仓库以及豪华的办公楼中。设计中的错误可能导致系统运行效率低，无法形成虹吸状态，或者达不到有效流量（淹没状态）。瞬时负压力的积累会导致管壁破裂【1】。在英国，虹吸式排水系统使用的10年时间里，并没有公认的设计规范。虹吸式系统的建立，总是以假设夹带气体的瞬时稳定状态得到的计算数据为依据。本文的目的在于建立一种非恒定流模型，这种模型可以通过暴雨降水过程曲线
4、模拟虹吸式排水系统的运行状态。这样就可以使得雨水在雨水排水系统中的流动状态达到与其标准。从最开始的地表径流开始暴雨的发展，通过两个阶段的流动，空气不断溶解到水中，直到达到设计运行需要的满管流形成。项目的主要启动过程如下：1） 在实验室环境下，启动过程中，观察虹吸管系统中瞬时压力的积累和扩散。2） 建立静态的与流动的边界条件，以数学特征为基础建立数学模型。3） 开发一种以计算机系统为基础的设计系统，这种系统可以为工程设计人员提供设计阶段指导。3. 实验描述 研究项目的建立主要依赖于工业连接配件的开发，以及在郝瑞瓦特建设的试验设备测得的试验结果。并且以此来建立最初的数学模型。曾经开发过一个数学模型
5、，它证实了并十分完美的与在实验室取得的数值相协调。从最初的系统安装，试验设备运行数据，以及在虹吸雨水工业得到的材料。和研究者建立的数学模型一样，密闭连接设备的应用也在很大程度上促进了该项目的发展。4. 设计注意事项通常，在任何既定的工程中，虹吸式屋面排水系统的设计要满足稳态压力，这种稳压与选定的“设计暴雨”有关。即通常所说的稳定的暴雨强度（在英国这与BS6367【2】一致）。在设计阶段，暴雨强度的选择以工程的地理位置为依据，通过平衡风险，成本以及额外流量承载能力【1，3】进行分析。然而，可以看出这种方法在安装后将导致每次暴雨出现时总有一至两个非正常的状态发生。1）暴雨强度超过设计强度理论上，设
6、计暴雨强度一旦选定，这种强度的暴雨总会发生，并且会导致一定程度的洪水。设计优秀的系统要确保与任何直接进入其承受区域的流量，或者任何可以承受的破坏程度相一致。 2）暴雨强度小于设计强度对所有系统进行分类，大多数可能遭遇的暴雨分为以下情况。当遇到低强度的降水时，系统就成为了传统排水系统。但是，随着降雨强度的增大，系统中局部非恒定压力状态会产生。试验表明，这种负压力的变化，将导致大量的空气进入系统中。在某些环境状态下，进入系统的水量会超过设计负荷。流体存在不稳定的自然流动状态，这使得系统产生噪音、震动。压力变化也十分得频繁，当系统接纳的水量远小于系统流通能力时，这些特征已数据的形式在图2.3中表示出
7、来 Fig. 1. 原理图的一个测试平台结构说明了主要的维度Fig. 2. 环境压力系统中42%的稳定地沟流动率的测量能力系统在图1演示。此图说明,在特定的条件下,循环压力可以建立该系统。循环系统响应的相关流动率的频率，与水平的和垂直的管道长度。5. 最新设计实践最近，虹吸式屋面排水系统按照给定的设计暴雨进行设计，这种设计暴雨可以使系统在短时间里充满水。并且能够快速的启动虹吸排水系统。这就意味着，使用稳定流理论进行虹吸系统的设计更加的简单。在几乎所有的虹吸排水系统的设计中，稳定流能量守恒定律都得到了广泛的应用，并将其作为设计的理论依据。系统中，任何两点X,Y之间的压降可以通过下式计算：两点间压
8、降HXY ,由管壁的水力阻力损失和局部阻力损失组成。在研究过程中，上面列出的计算方法经常用来估算流通能力，以及虹吸试验系统中各部分的压力分配情况。图3。环境压力系统中81%的稳定地沟流动率测量系统的能力。此图说明了即使在流动到系统已接近设计条件环境条件下仍然不稳定。Table 1在赫瑞瓦特大学屋顶的水管试验台上进行测量和计算条件的比较这些结果反映了的是那些在沃灵福德发现成果的研究者 (3)。当回顾这些结果,应该指出的是,这些参考液压条件设计的结果，它的流动利率低于现有的设计方法，因此是无效的。在系统压力的计算中有许多重要的方法，这些方法依靠流体通过管道的摩擦阻力和静高的变化进行计算。这些计算结
9、果之间存在一定的偏差，是由于空气容量的变化，以及跨越管道时水头损失不精确估算引起的。6. 试验研究试验研究的主要目的在于虹吸式屋面排水系统在设计条件下是如何启动的。在描述启动过程之前，必不可少得要定义虹吸式屋面排水系统的物理结构组成。一个基本的、理想的虹吸屋面排水系统可以由三部分组成：1）虹吸雨水斗这些单元布置在楼顶或者天沟处，并允许暴雨进入系统，即雨水收集装置，它是一个反向带隔板截圆锥体，并与天沟靠近。设置隔板的主要目的是阻止空气进入系统中。2）水平管网水平管道设置在虹吸雨水斗和排水立管之间，用来传输流体。一个典型的虹吸系统，其水平管网中流体的状态受到诸多因素的影响，例如弯管等。3）排水立管
10、.对以个虹吸式屋面排水系统而言，从功能上讲，以下两端排水立管必须设置：第一段：短管（0.20.5M），连接虹吸雨水斗和水平管网；第二段：弯管，连接水平与排水立管。6.1试验设备的启动理解虹吸试验设备的启动过程具有十分重要的意义。不论什么原因，如果一个系统不能够在设计流量下正常运转，它就不符合设计规范。在本篇所描述的启动过程，考虑了一种水力学状态，在流入屋顶天沟的水量不断上升到与试验设备的流通能力持平时，这种状态在虹吸系统中普遍的存在（例如在设计状态下）。为了分析试验设备的启动过程，沿着水平管网设置了许多压力观测装置，检测频率在101000HZ之间。水流在天沟中的深度通过水压传感器检测。另外，因
11、为整个试验系统是透明的，可以通过目测，或者在静态摄影机，高象素数码摄像机的辅助下对系统进行观察。根据试验观测，虹吸系统的启动过程可以分成以下步骤：1）最初的天沟径流在系统启动的最初，天沟内水流不断增多，虹吸系统中的压力与外界环境中的压力相等（加上水流深度），在竖向管网中的水流是环状的，在水平管网中水流处于亚临界状态。随着屋顶雨水斗上液面上升，水平管网径流开始形成，在管道的下游可以看到跌水（如图4A）弯管1的重要性如图1所示，排水立管通过弯管1与水平管网连接。试验结果表明，如果仅仅由排水立管连接于虹吸雨水斗（系统中没有水平管）。那么，水力损失会变小，以至于在排水立管部分形成满管流动。 跌水随着流
12、体渐渐的增加，跌水逐渐向水平管道下游移动，同时，下游跌水深度不断增大，最后，水流充满管径，在此时水平管道的末端形成满管流。在连接处，气体夹在跌水区和水平管道上游中间。满流状态很快传播到下游。排水立管当满管流状态移动到弯管的时候，排水立管内开始形成满管流。随满管流在排水立管中的移动，大量的空气从排水立管中溢出，使得上游管段中形成负气压（管道中压力小于大气气压）。这促使进入虹吸系统的流体迅速增加，这些增加的水量造成满管流发展到水平管道的末端。气体微团沿着水平管道移动。当这些气体微团经过弯管2进入立管（图4），它将促使整个系统产生局部负压。然而，当气体完全排除立管时，系统完全启动而不是气体进入管道（
13、通常流体中含气量小于5）。如图5所示数据，他们来源于一个典型的试验设备启动过程。每一个步骤都列举在标2中。图4在系统启动过程中被困气体的运动。(此图假设屋顶排水完全淹没和流动体中不含空气。)7. 虹吸系统中的气体在虹吸式屋面排水系统中，气体进入系统主要有三种方式，列举如下：1）在降雨开始前已经存在于虹吸系统中的空气在没有降水进入虹吸系统之前，管道中充满的几乎全部是空气。设计出色的虹吸系统允许空气通过屋顶雨水斗，或者节点排除。图5。启动的环境压力系统。可以看到,系统中的流体从自由表面到别处流动很快。此图清楚地表明,重复压在下游系统尾部中形成,然后向上游传播。这是表示重压观察在下游和上游压力监测点
14、的时间滞后。Table 2区域描述,如划分为图52） 降水中溶解的气体由于降水与天沟中水流的自然波动和流淌，空气不断溶解在水流里，最后进入虹吸系统。由于降水与天沟中水流的自然波动和流淌，空气不断溶解在水流里，最后进入虹吸系统。3） 通过虹吸排水管直接进入虹吸系统的气体每一个虹吸系统的雨水斗都具有特殊的蜗旋结构，通过巨几何学的原理，阻止气体进入虹吸系统。然而，一些气体可以通过小的漩涡进入系统。这种形式的气体会给系统制造出很多运行故障。如果有大量的气体进入了系统，当他们进入立管后可以造成瞬时负压很快就会传送到整个系统。7.1. 气体进入系统水平的测算为评估气体通过屋顶雨水斗或者溶解在雨水中直接进入
15、系统的量，如图6所示，进行试验分析。利用数学模型的方法进行测算，这样使每个时刻气体进入系统的情况得到准确的计量。系统启动后进入的气体通常视为溶解在雨水中的。试验设备在不同的流量和淹没水深下进行。图7中的数据是在系统完全启动后，天沟径流率为88时的系统流通能力统计。随着径流达到系统的设计流通能力，额外的径流流入系统。使得系统可以在完全启动压力下运行。平均压力为2.37MH2O（标准偏差：0.2MH2O,0.74%）.但是如果没有足够的径流维持这种状态，系统的压力会降到不稳定的运行状态2.37 MH2O（标准偏差：0.092 MH2O，3.88）。图6。用来测量的空气进入试验装置机制。进气口是检测
16、、测量空气流动率在100赫兹。图7。在10.4 l /s时，压力和空气流动系统运行数据。降低了23。视图上的数据显示通过屋顶虹吸雨水斗直接进入系统的空气，平均速度为0.027L/S。这个数据在弯管2处会增加到0.036L/S。试验结果表明，实际进入系统的量要远远大于通过这些方法测的的数据。大量的气体通过径流溶解和天沟雨水搅动进入系统。在图8中显示的数据是在径流42进入天沟时测得的全启动流通能力。从图标中曲线可以看出，运行压力是不稳定的，进行周期性的循环。平均运行压力为0.58 MH2O（标准偏差：0.77 MH2O，132.6）在气体直接进入系统的的地方，只有当压力低于0.15 MH2O时，气
17、体才能够溶解在雨水中进入系统。高于这个数值时，空气很难进入系统，当然仍旧有一些空气还是溶解在雨水中进入系统。8. 虹吸式雨水系统的数学模型图8。系统运行在5.0 l / s时的压力和空气流动数据利用动量定理和连续性方程等数学方法，对虹吸式排水系统的工作状态以及边界条件进行模拟，可以清晰的认识虹吸系统的运行特点。“SIPHONET”模型，可以模拟虹吸排水系统的整个运行过程，由这个模型模拟的运行过程分为以下部分：随着低空气含量的雨水进入系统，将逐渐的取代夹带大量空气的的均相雨水。随着空气从排水立管中不断溢出，管道中产生虹吸条件，促使虹吸系统的正常运行。在系统开始运行的阶段，最关键的点在于当低空气含
18、量的雨水充满整个立管时。因为此后将形成负气压环境，并带动虹吸系统运行。离散型的微小气体在节点之间的移动情况用样可以检测，内部任何的压力变化情况也可以计算出来。这些方法给出了用数学模型模拟虹吸系统启动，运行的新视野。数学模拟的第一步就是模拟最初表面径流的状况，以及由跌水到达满管流的模拟。一旦这些状况用数学模型模拟出来，就可以用来计算整个系统的最初压力情况（t=0时）。运行的主要模拟数据都由“SIPHONET”模型计算出来。利用动量守恒定律等原理，系统中的水力学特性可以用折线型函数表现出来（公式2，3）。利用两个变量表示出来：速度和压力。这些方程可以利用特征方法求解出来79。图9。正常的应用程序的
19、细节特征的方法。(注:为了清晰只备用节点代表。)根据这种方法，将管线平均分成N段（N+1个节点），每段长度记为X。这种处理框架常用来模拟水平管网中的水力学状况。 如图9所示，空间上不同的两个点A&B（i-1;i-2;t=0）压力水头已知。点P为中间节点i（t=t用公式4计算）。公式5，6分别对应图中C+,C特性。在图9中，考虑到了每根管子的长度，只有一种特征方程时可以应用的（上游管段具有从C+ 特性，下游具有C 特性）。因此，为了解决这个问题，在管道的上游和下游必须使用数学模型模拟流量和水头。假定系统出口边界点上的气压为标准大气压。根据经验，虹吸式雨水斗进口的压力，可以通过径流深度和雨水斗的类
20、型来确定。在系统以满管流状态启动之前，任何进入系统的雨水都被设为含气量为0.1。并且设定雨水以完全淹没雨水斗的方式进入系统。在连接处，跌水的下部认为时均相流（汽水混合状态），其在节点之间的传播速度可以使用公式7计算。显而易见，在整个系统中，传播速度并不是处处相等的，在很多情况下，雨水的速度可以达到混合液的传播速度对于水平管道，这种假定并不是十分的重要，然而，在排水立管中，因为流体中空气含量的变化影响了系统压力。因此，空气含量对扩散速度的影响必须考虑在内，以此选择合适的t值。因此,如果是选择使用最高的波速度、时间小于标准规定部分系统是可能存在(Eq. (4).使用时间线插值,其水平设置中，所有的
21、系统元素使用最高的量,导致它产生最小值。测定H。水平管道工程的传播速度是用于设置它的。随着传播速度降低将意味着所花费的时间要比它原来测定不同的变化条件下将被传递到P点从而相邻。根据空气传播的数量和流动速度，也可能成为持久的协调性,因此近似代表是无效的。这些因素意味着,如果节点1和+ 1仍用于测定问和H点在时间和空间上的P,Q和H，已知值在这些节点必须获得超过它过去时间的中P点的存在。这种情况意味着介绍解决方案的方法, 和时间线插值会推出解决特征方程为Q和H在连续时间的解决方案。图10展示了时间线插值方法应用于这种情况。时间线插值方法,而不是使用前面的时间步,和交流条件。时刻为当前时间步,数据从
22、一个位置转达了m + _时间步骤之前,当前位置特征线(C +和C)交叉前和随后的节面。解决方案结构已经出来了,并且SIPHONET现在可以开始解决和H在每个节点为每个连续的时间步。SIPHONET还追踪了空气的移动，提出上游的水跃,水流通过系统在环境流动速度，而音量调整根据气体定律，水流通过系统在计算这空间间隔。随着空气进入堆栈，它的结果是减少流体密度在堆栈繁殖， 重压部分的系统。然后引起巡回压，因为它退出系统。在这个节骨眼上,系统被评为装填。 图11。起动的虹吸式屋面排水系统在弯曲度2时的计算和测量压力，见图2。在上图中，显示的是“SIPHNOET”模型的输出结果，试验数据来自对虹吸试验设备
23、运行状况的总结。这种结果，可以帮助我们理解流量与水深不断变化着进入系统与传播速度之间的关系。一旦这些数据被整体输入到“SIPHNOET”模型中，“真正”的随时间变化的暴雨就在试验设备中形成了。9. 总结简而言之，结论如下【1】由于虹吸式排水系统具有其独特的优点，它占据了英国商业楼顶排水系统应用的主题地位；【2】现在使用的设计方法中存在很多不足；【3】设计方法的不足，以及安装问题使得很多虹吸系统不能够正常运行；【4】在欧洲虹吸式雨水排水系统工业的帮助下，虹吸系统试验设施在英国海若特瓦特大学建立；【5】建立了一种可以评估虹吸系统中空气水平的数学方法；【6】关于虹吸排水系统的启动，运行过程得到了详尽
24、的描述；【7】试验数据表明，当虹吸系统在低于设计流通能力下工作时，流体的状态时不稳定的；【8】建立了一种数学模型，它可以模拟虹吸式雨水排水系统运行过程。10研究动向虹吸式雨水排水系统的研究范围在不断的扩展，海若特瓦特大学一直在进行着相关的研究。关于虹吸式排水系统的数学模型研究，将持续到2002年。另外，在虹吸排水工业，以及政府正确的导引下，理想的虹吸式排水系统将广泛应用于雨水处理中。鸣谢海若特瓦特大学的研究者，对给予虹吸式排水系统研究提供帮助的企业组织表示感谢：山谷制造公司，EPSCR，皇家工程学院等等。参考资料1 Bowler R, Arthur S. Siphonic roof rainw
25、ater drainage design considerations. Proceedings on Water Supply and Drainage for Buildings: CIB W62, Edinburgh, 1999. 2 BSI. British standard code of practice BS6367: 1983 Drainage of roofs and paved areas, British Standard, 1983. 3 May RWP, Escarameia M. Performance of siphonic drainage systems fo
26、r roof gutters. Report No. SR 463: HR Wallingford, 1996. 4 Arthur S, Swa*eld JA. Numerical modelling of siphonic rainwater drainage systems The Importance of Air. Proceedings of the 8th International Conference on Urban Storm Drainage, Sydney, Australia, 1999. 5 Swa*eld JA, Arthur S, May RWP. Primin
27、g of a siphonic rainwater drainage system. Proceedings of the Water Supply & Drainage for Buildings: CIB W62, Rotterdam, 1998. 6 Arthur S, Swa*eld JA. Numerical modelling of the priming of a siphonic rainwater drainage system. The Proceedings of CIBSE: Building Services Eng Research and Technology 1
28、999;20(2):8391.7 Lister M. Numerical solutions of hyperbolic partial dierential equations by the method of characteristics. In: Ralston A, Wilf HS, editors. Numerical Methods for Digital Computers, Wiley, New York, 1960. 8 Swa*eld JA, Boldy AP. Pressure surge in pipe and duct systems. Aldershot: Avebury Technical, Aldershot: Ashgate Publishing Ltd, ISBN 0-291-39796-4, 1993. 9 Wylie EB, Streeter VL. Fluid Transients. New York: McGraw-Hill, Inc. ISBN 0-07-072187-4, 1978.
