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1、流体输配管网 河北工业大学 建筑环境与设备工程系 第四章第四章 多相流管网水力特征与水力计算多相流管网水力特征与水力计算 第一节第一节 液气两相流管网水力特征与水力计算液气两相流管网水力特征与水力计算 第二节第二节 汽液两相流管网水力特征与水力计算汽液两相流管网水力特征与水力计算 第三节第三节 气固两相流管网水力特征与水力计算气固两相流管网水力特征与水力计算 第一节第一节 液气两相流管网水力特征与水力计算液气两相流管网水力特征与水力计算 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 非满流排水管道内 非满流排水管道内，是水是水、气气、固三种介质的复杂运动固三种介质的复杂运动 水量气
2、压水量气压 变化大变化大 流速变化流速变化 剧烈剧烈 事故事故 危害大危害大 1 1、建筑内、建筑内 部排水流动部排水流动 特点特点 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 2 2 防止管内气体进入室内的措施防止管内气体进入室内的措施 2 .12 .1水封水封存水弯的作用存水弯的作用 利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压变化，防止管内气体进入利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压变化，防止管内气体进入 室内室内. . 设置在卫生器具和空调机集水盘管等的排水口下设置在卫生器具和空调机集水盘管等的排水口下 水封高度：水封高度： h h5050100mm100mm h h太大
3、：杂物易沉积，堵塞管道太大：杂物易沉积，堵塞管道 h h太小：水封的静压力不足以抵抗管内气压的变化太小：水封的静压力不足以抵抗管内气压的变化 水封的水量，反映水封强度水封的水量，反映水封强度 2.22.2水封破坏的原因水封破坏的原因 因动态或静态原因造成存水弯内水封高度减少，不足以抵抗管道内允许的因动态或静态原因造成存水弯内水封高度减少，不足以抵抗管道内允许的 压力变化值时（正或负压力变化值时（正或负25mmH25mmH 2 2 o)o)，管道内气体进入室内的现象叫水封破坏。，管道内气体进入室内的现象叫水封破坏。 水封的破坏与水封强度有关。水封强度是指存水弯内水封抵抗管道系统内水封的破坏与水封
4、强度有关。水封强度是指存水弯内水封抵抗管道系统内 压力变化的能力，其值与存水弯内水量损失有关。压力变化的能力，其值与存水弯内水量损失有关。 水量损失的原因：水量损失的原因： 自虹吸损失自虹吸损失：卫生器具在瞬时大量排水的情况下，存水弯自身充满而形：卫生器具在瞬时大量排水的情况下，存水弯自身充满而形 成虹吸，排水结束后，存水弯内水封实际高度低于应有高度。成虹吸，排水结束后，存水弯内水封实际高度低于应有高度。 诱导虹吸损失诱导虹吸损失：当管道系统内其他卫生器具大量排水时，系统内压力变化，当管道系统内其他卫生器具大量排水时，系统内压力变化， 使存水弯内的水上下波动形成虹吸。使存水弯内的水上下波动形成
5、虹吸。 静态损失静态损失：卫生器具较长时间不使用造成虹吸。：卫生器具较长时间不使用造成虹吸。 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 3、横管内流动状态横管内流动状态 3.13.1能量转换关系式：能量转换关系式： 3.23.2水流状态：急流、水跃、跃后段、逐渐衰减水流状态：急流、水跃、跃后段、逐渐衰减 3.33.3管内压力管内压力 （1 1）横支管内压力变化）横支管内压力变化 如右图：如右图： （2 2）横干管内压力变化）横干管内压力变化 排水量大、卫生器具与横排水量大、卫生器具与横 干管的高差大，使得与立干管的高差大，使得与立 管连接处动能大、管连接处动能大、 水流充满断面
6、立管底部的水流充满断面立管底部的 压力骤然上升、下部几层压力骤然上升、下部几层 横支管内形成正压，存水横支管内形成正压，存水 弯内的污水溅至卫生器具弯内的污水溅至卫生器具 内。内。 则建筑底部横支管与立管则建筑底部横支管与立管 的最小垂直距离符合表的最小垂直距离符合表 4-1-14-1-1 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 4 4 立管中水流状态立管中水流状态 4.14.1排水立管水流特点排水立管水流特点 断续的非均匀流断续的非均匀流 水气两相流水气两相流：水中有气水中有气，气中有水滴气中有水滴 管内压力变化管内压力变化： 立管上部形成负压立管上部形成负压，最大处在横支
7、管下部最大处在横支管下部 4.24.2排水立管中水流流动状态排水立管中水流流动状态 附壁螺旋流附壁螺旋流 水膜流水膜流 水塞流水塞流 4.34.3水膜流的力学分析水膜流的力学分析 终限流速计算式：当水膜所受向上的管壁摩终限流速计算式：当水膜所受向上的管壁摩 擦力与重力达到平衡时，水膜的下降速度擦力与重力达到平衡时，水膜的下降速度 和水膜厚度不再发生变化，这是的速度为和水膜厚度不再发生变化，这是的速度为 终限流速。终限流速。 当量粗糙高度：指和实际管道沿程阻力系数值当量粗糙高度：指和实际管道沿程阻力系数值 相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度。相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度。 终限长度计算式：从排
8、水横支管水流入口至终限长度计算式：从排水横支管水流入口至 终限流速形成处的高度。终限流速形成处的高度。 ml tt 2 144. 0u= 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 5 5 排水管在水膜流时的通水能力排水管在水膜流时的通水能力 在水膜流状态，当达到终限流速时，水膜下降流速和在水膜流状态，当达到终限流速时，水膜下降流速和 厚度保持不变，立管通水能力也不变厚度保持不变，立管通水能力也不变 . . 表达式：表达式： 终限流速时过水断面积：终限流速时过水断面积： 水膜厚度：水膜厚度： 3 8 3 5 10 1 1 036. 0d K Q p a = 一、液气两相流管网的水
9、力特征一、液气两相流管网的水力特征 6 6 影响排水立管内部压力波动的因素及防止措施影响排水立管内部压力波动的因素及防止措施 6.16.1影响排水立管内部压力波动的因素影响排水立管内部压力波动的因素 水舌是水流在冲激流状态下，由横支管进入立管下落，在其连接部短时间内形成水舌是水流在冲激流状态下，由横支管进入立管下落，在其连接部短时间内形成 的水力学现象：的水力学现象： 水舌沿进水流动方向充塞立管水舌沿进水流动方向充塞立管 水舌两侧由两个气孔作为空气流动通路，其两孔断面远比水舌上水舌两侧由两个气孔作为空气流动通路，其两孔断面远比水舌上 方立管内的气流断面小方立管内的气流断面小 水流带动向下流动的
10、空气通过水舌，造成空气能量的局部损失水流带动向下流动的空气通过水舌，造成空气能量的局部损失 当无伸顶通气管时，局部阻力很大，排水时造成的负压则很大，当无伸顶通气管时，局部阻力很大，排水时造成的负压则很大， 水封极易破坏水封极易破坏. . 立管内最大负压值的大小与粗糙高度和管径成反比；与排水流量、终立管内最大负压值的大小与粗糙高度和管径成反比；与排水流量、终 限流速和空气总阻力系数成正比，空气总阻力系数中最大为水舌阻限流速和空气总阻力系数成正比，空气总阻力系数中最大为水舌阻 力系数。力系数。 一、液气两相流管网的水力特征一、液气两相流管网的水力特征 6.2 6.2 稳定立管压力增大通水能力的措施
11、稳定立管压力增大通水能力的措施 减少终限流速 减少终限流速 1 1增加管材内壁粗糙度高度，使水膜与管壁间的界面力增加，减少增加管材内壁粗糙度高度，使水膜与管壁间的界面力增加，减少 水流下降速度水流下降速度 2 2立管上隔一定距离设乙字弯（立管上隔一定距离设乙字弯（5-65-6层）消能，实验表明速度减小层）消能，实验表明速度减小 50%50%左右。左右。 3 3利用横支管与立管连接处的特殊构造，形成密度小的水沫状水气利用横支管与立管连接处的特殊构造，形成密度小的水沫状水气 混合物，减小速度。混合物，减小速度。 4 4使水流沿切线进入立管，在重力、离心力共同作用和管壁的限定使水流沿切线进入立管，在
12、重力、离心力共同作用和管壁的限定 下，水流旋流而下，降低垂直方向的速度。下，水流旋流而下，降低垂直方向的速度。 5 5对立管作特殊处理，增加水与管内壁的附着力。对立管作特殊处理，增加水与管内壁的附着力。 减小水舌阻力系数减小水舌阻力系数 1 1设置通气立管。向负压区补充的空气不通过水舌。水舌阻力系数趋近于设置通气立管。向负压区补充的空气不通过水舌。水舌阻力系数趋近于0 0，立管内负压减小。，立管内负压减小。 2 2在横支管上设单路进气阀。当某一支管排水时，立管内形成负压，其他支管上的进气阀打开补气，不经过水舌。在横支管上设单路进气阀。当某一支管排水时，立管内形成负压，其他支管上的进气阀打开补气
13、，不经过水舌。 3 3在排水横管与立管连接处的立管内设置挡板，使横支管排出的冲激流被挡板阻挡，不会射到立管形成水舌。在排水横管与立管连接处的立管内设置挡板，使横支管排出的冲激流被挡板阻挡，不会射到立管形成水舌。 4 4将排水立管内壁制成螺旋线导流突起，使水流在螺旋线导流下，旋转下落，立管中心是空气柱，未形成水舌。将排水立管内壁制成螺旋线导流突起，使水流在螺旋线导流下，旋转下落，立管中心是空气柱，未形成水舌。 5 5排水立管轴线与横支管轴线错开半个管径连接。管中心形成空气柱，减小水舌阻力系数。排水立管轴线与横支管轴线错开半个管径连接。管中心形成空气柱，减小水舌阻力系数。 6 6采用水舌面积小、两
14、侧气孔面积大的斜三通、异径三通等。采用水舌面积小、两侧气孔面积大的斜三通、异径三通等。 4.1.24.1.2、建筑排水管网的水力计算、建筑排水管网的水力计算 目的：目的：确定排水管网各管段的管径、横向管道的坡度和通气管的管确定排水管网各管段的管径、横向管道的坡度和通气管的管 径。径。 4.1.2.14.1.2.1排水定额和设计秒流量排水定额和设计秒流量 一一建筑内部建筑内部排水定额排水定额 1 1 以每人每日为标准以每人每日为标准 此计算结果用来设计污水泵、化粪池等。此计算结果用来设计污水泵、化粪池等。 2 2 以卫生器具为标准以卫生器具为标准 卫生器具排水定额是经过实测得来的。主要是用来计算
15、建筑内部各管段的卫生器具排水定额是经过实测得来的。主要是用来计算建筑内部各管段的 排水设计秒流量，进而确定各管段的管径。管段的设计秒流量与其接纳的排水设计秒流量，进而确定各管段的管径。管段的设计秒流量与其接纳的 卫生器具类型、数量及使用频率有关。为便于累加计算，与建筑给水一样卫生器具类型、数量及使用频率有关。为便于累加计算，与建筑给水一样 ，以污水盆排水量以污水盆排水量0.330.33升每秒为一个排水当量，将其他卫生器具的排水量升每秒为一个排水当量，将其他卫生器具的排水量 与与0.330.33升每秒的比值，作为该卫生器具的排水当量。升每秒的比值，作为该卫生器具的排水当量。由于卫生器具排水具由于
16、卫生器具排水具 有突然、迅速、流率大的特点，所以，一个排水当量的排水流量是一个给有突然、迅速、流率大的特点，所以，一个排水当量的排水流量是一个给 水当量额定流量的水当量额定流量的1.651.65倍。各卫生器具的排水流量和当量值见下表：倍。各卫生器具的排水流量和当量值见下表： 二二 设计秒流量设计秒流量 是确定各管段管径的依据是确定各管段管径的依据 住宅、集体宿舍、旅馆、医院、幼儿园、办公楼、学校等建筑 ，用水设备使用不集中，用水时间长，同时排水百分数随卫 生器数量具增加而减少，其计算式： 工业企业生活间、公共浴室、洗衣房、公共食堂、实验室、影 剧院、体育场等建筑，卫生器具使用集中，排水时间集中， 同时使用百分数高，其计算式： 4.1.2.24.1.2.2建筑排水管网的水力计算建筑排水管网的水力计算 一一 横管的水力计算横管的水力计算 1 1 设计规定设计
