排水管道内水气流动特点简介

良好的排水系统应具备管道短而直、通水能力大、管内气压波动小和易清通等特点。

一、排水管道中的水流特点

生活污水管道是非满流，污水中含有固形物，管道内水流是水、气、固三相的复杂运动。粪便污水中含固体物最多，但该部分排水量较小，为简化分析可认为管内为水、气两相流。

1.建筑内部排水系统的特点

建筑内部排水系统与室外排水系统相比，有以下几个特点。

（1）水量变化大：排水管道内接纳的排水量少，不均匀，但卫生器具排水历时短、瞬间流量大，高峰流量可能充满整个管道断面，而在绝大部分时间里，管道内只有很小流量或处于无水状态。

（2）气压变化幅度大：在卫生器具不排水时，排水管道中的气体通过通气管与大气相通，当卫生器具排水时，管内气压会有较大幅度波动。

（3）流速变化大：建筑内部排水系统的特点是立体交汇，很多层的排水横管都与同一根排水立管相连接，使得卫生器具排水由横管进入立管时，水流方向改变，在重力作用下加速下落，水气混合。当水流由立管进入底部横干管后，水流方向又改变，流速骤然减小，水气分离。

（4）事故危害性大：当排水管道排水不畅或堵塞后，污水会通过卫生器具或地漏外溢到室内而损坏物品；或气压波动大，水封被破坏，有害气体进入室内，危及人体健康。

2.排水横管水流状态

（1）横支管：

1）能量变化关系：卫生器具排水口通过一短直管与横支管相连，当卫生器具排水时，污水下落的速度较快，动能较大，由于存水弯的作用，使出口管的水流基本为单相，以淹没管口出流冲入横管形成八字形水流，在与横管连接处发生能量转换，大量能量被消耗，只有一部分能量转化成具有一定水深、一定流速的位能和动能，其能量转换可由下式表示：式中：v0为竖短管进入横支管处的水流速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；he为横管内水深，m；v为横管内水深为he时的流速，m/s；hj为竖管与横支管处的局部水头损失，m。

横管内断面水深和流速的大小与管道坡度、管径、单位时间卫生器具排水量、持续时间、排放点高度及卫生器具出水口形式等因素有关。

2）横支管水流流态：横支管内压力变化以连接3个坐式大便器的横管为例进行分析（图16-4）。

图16-4　排水横支管内压力变化示意

（a）排水初期；（b）排水后期

当中间卫生器具B放水时，在与卫生器具连接处的排水横支管内，水流呈八字形双向流动，在其前后管内形成水跃。AB段内气体不能自由流动形成正压，使A存水弯中的水面上升，随着B点排水量的减少，在横支管坡度作用下，水流向D点做单向运动，A点形成负压抽吸，存水弯内水面下降。如在中间卫生器具排水的同时，立管中有大量水下落，把D点封闭，则AB段和BC段内的气体均不能自由流动，使A和C两个存水弯内的水面都上升[见图16-5中的（a）]，随B点出流量减少，水位向D点做单向运动，AB和BC段因得不到空气的补充又形成负压抽吸现象，使A、C存水弯内水形成惯性晃动，损失部分水量，水封高度降低。由于卫生器具出水口距横支管的高差较小，水流动能小，形成的水跃低，横支管内压力波动不大。但有实验表明，如果横管上有几个坐式大便器同时放水，如B、C两个坐式大便器同时放水，B、C两处均呈八字形双向流，C点的水流对B点向D点流动的水流产生阻隔作用，水面形成阶梯状[见图16-5中的（b）]，使C点以上的水位迅速增加，CB段几乎为满流，而BA段的水位也升高较多，管内压力变化比一个卫生器具放水时要大，且横支管内的正、负压力均较大，对水封可能产生破坏作用。两个卫生器具和三个卫生器具排水时横管最大流量分别是一个卫生器具排水量的1.33～1.67倍和1.87倍，且持续时间较长，对卫生器具的水封产生较大影响，且水流进入立管处的水舌延续时间长，对立管内压力影响较大。

（2）水平横干管：立管下降的水流速度很大，且为水气两相流，当到达立管下端后，高速冲入横干管，产生强烈的冲激流，由于空气流动受到限制，使其压力骤然升高，形成立管下部和横干管始端的正压区。横管中形成急流段、水跃及跃后段和逐渐衰减段。急流段起端水流速度大，管内水深较浅，冲刷力强，末端由于管道阻力使流速减小，水深增加，水中气体向管顶部上升，形成水跃，动能进一步减小，能量不断被消耗，水深逐渐减小，最后趋于均匀流。

图16-5　卫生设备排水时横支管内压力变化示意

（a）单卫设备排水；（b）双卫设备排水

3.排水立管水流状态

（1）排水立管水流具有以下特点：

1）断续非均匀流：在卫生器具不排水时，立管为通大气的空管，当卫生器具排水时，横支管进入立管的水量先从小到大再从大到小，流量变化且不均匀。

2）水气两相流：由于排水立管在不同高度上连接有排水横支管，所以排水立管是非满流，且管内气压波动不能太大，以防水封被破坏。横支管排水为间歇性，立管水流是水、气、固三相介质的复杂运动，因固体影响不大，可以忽略，则立管流动介质为水和气。水流在下落过程中会挟带气体一起流动，气水间界限不很明显，水中有气，气中有水滴，是水气两相流。

（2）立管压力变化：横支管排放的污水进入立管后，在垂直下落过程中会挟带一部分气体一起向下运动，若管内气体不能及时得到补充，则立管中会出现负压。最大负压发生在出流横管以下立管的某一部位。图16-6所示为普通伸顶通气排水立管系统的压力分布示意。最大负压值与排水横支管的高度、出流量大小、通气量大小有关。横支管距立管底部越大，排水量越大，通气量越小，则立管中形成的负压就越大。横支管不同出流量时，立管压力变化见如图16-7所示。

立管中挟气水流进入横干管后，因流速降低，形成水跃，水流充满横干管断面，气体从水中分离出来不能及时排走，形成一定长度和高度内的正压区。

（3）立管水流流态：排水立管设计为非满流，但当横支管排水量大、持续时间长时，会在立管的某段形成水塞，充满立管截面。

水流运动状态与管壁粗糙度、横支管与立管连接处的几何形状、排水量大小和同时排水的横支管数量等因素有关。当管径一定时，影响水流运动状态的主要因素是排水量。

现以单一横支管出流，立管上端通大气、下端经横干管排至室外检查井通大气的情况分析，当排水量不断增加时，立管中水流流态变化的3个阶段。

图16-6　排水立管内压力分布曲线

图16-7　横支管不同出流量时立管压力变化曲线

1）附壁螺旋流：排水量较小时，由于排水立管内壁粗糙，管内壁与污水两相间的界面力大于液体分子间的内聚力，水不能以水团形式脱离管壁在管中心坠落，而是沿管壁周边向下作螺旋流动，因螺旋运动产生离心力使水流密实，气液界面清晰，水流挟气作用不明显，立管中心气流通畅，管内压力稳定。随着排水量的增加，当水量足够覆盖整个管壁时，水流变为附于管壁的向下流动，因没有离心力，只受重力影响，在水与管壁间只有界面力，这时气液两相界面不明显，水流向下运动时产生挟气作用。因为此时排水量较小，管中心气流仍可正常流动，所以气压较稳定。但这种状态历时很短，随着流量的进一步增加，很快就过渡到水膜流阶段。

2）水膜流：当立管入流量进一步增加，由于空气阻力和管壁摩擦力的共同作用，水流沿管壁作下落运动，形成有一定厚度的、带有横向隔膜的附壁环状水膜流。附壁环状水膜流与其上部的横向隔膜一起向下运动。但两者的运动方式不同，环状水膜形成后比较稳定，向下作加速运动，水膜下降速度与水膜厚度近似成正比，当水膜所受向上的管壁摩擦力与向下的重力达到平衡时，水膜的下降速度和水膜厚度不再变化，这时的流速称为终限流速（vt），从排水横支管水流入口处至终限流速形成处的长度称为终限长度（Lt）（如图16-8所示）；横向隔膜在向下运动过程中是不稳定的，由于水膜流时的排水量不是很大，形成的横向隔膜厚度较薄，随隔膜向下运动，隔膜下部管内气压增加，达到一定压力后，可将隔膜冲破，使管内压力又恢复通大气状态。在继续下降过程中，隔膜的形成与破坏交替进行，直至到立管底部。这阶段立管内压力在一定范围内波动，但其大小还不至于破坏水封。

3）水塞流：随着排水量继续增大，水膜厚度和隔膜厚度不断增加，当隔膜下部气体压力不能再冲破隔膜时，即形成较稳定的水塞流。水塞向下运动的过程中，管内气压波动剧烈，如立管上部补气不足，下部排气不畅，则可破坏水封，排水系统即不能正常使用。

上述3种流态实际上与水流占立管断面大小有关，一般用水流断面积（wt）与立管断面积（wj）的比值α来表示。研究表明，在伸顶通气排水立管系统中，当α＜1/4时为附壁螺旋流；当1/4≤α＜1/3时为水膜流；当α≥1/3时为水塞流。为保证排水系统的运行安全和经济合理，排水立管内的水流流态应在附壁螺旋流和水膜流两个阶段内。

4.立管水膜流运动的力学分析

在水膜流状态时，水沿管壁呈环形水膜状垂直向下运动，水膜和中心气核间无明显的界限，水膜内所含气体量从管壁向管中心逐渐增多，气核中也会有散落的水滴。在水膜区是以水为主的两相流，在气核区是以气为主的两相流。为便于分析，认为水膜区和气核区分别为水和气的单相流。

图16-8　终限流速和终限长度

（1）力学分析：在立管水膜区取一段高度为ΔL的隔离体，见图16-9所示。环状水膜体在下落过程中受2个力作用：向下的重力（W）和向上的管壁摩擦力（P）。由牛顿第二定律有

式中：Δm为Δt时间内通过断面水流的质量，kg；ΔL为隔离体长度，m；Δw为隔离体重力，N；ΔP为隔离体表面摩擦力，N；ΔQ为下落水量，m3/s；g为重力加速度，m/s2；ρ为水的密度，kg/m3；Δt为时间间隔，s；dj为排水管内径，m；τ为水流与管壁之间的切应力，N/m2。

图16-9　环状水膜隔离体示意

在紊流状态下有

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式中：λ为沿程阻力系数；Kp为管壁粗糙高度，m；e为水膜厚度，m；v为隔离体下降速度，m/s。

（2）终限流速与流量的关系：当下落体达到动态平衡时，即dv/dt=0，此时的下降速度为终限流速（vt），水膜厚度为et流量为Qt。上式变为

把式（16-11）代入式（16-8），可得出终限流速与流量、管径和管壁粗糙高度之间的关系：

式中：vt为终限流速，m/s；Qt为终限流量，m3/s；dj为管内径，m；Kp为管壁粗糙高度，m。

（3）终限流速与终限长度的关系：

5.排水立管在水膜流阶段的通水能力

由前述知排水立管流量范围应在附壁螺旋流和水膜流范围内，此时的排水系统是安全的，因此水膜流阶段的流量是排水立管允许通过流量的上限。

因为上式中的et不易测定，所以用过水断面积与管道断面积比值α代换，令d0=dj-

由于材料及制作技术不同，管道粗糙高度、形状及分布是不均匀的，为便于计算，引入“当量粗糙高度”概念，“当量粗糙高度”是指和实际管道沿程阻力系数λ值相等的同直径人工粗糙管的粗糙高度。常见管道当量粗糙高度Kp值见表16-3。

在有专用通气管排水系统中，研究表明水膜流态时，水流占整个管断面的1/4～1/3，所以据此可求出不同管径时的水膜厚度，见表16-4。由表可知et∶dj=1∶（14.9～10.9）。

表16-3　管道当量粗糙高度Kp

表16-4　水膜流状态时水膜厚度

二、排水立管内压力波动的影响因素

排水系统的设计目的就是在保证水封不被破坏的前提下，尽可能发挥立管的通水能力。因此，找出影响立管内压力波动的原因，有针对性地采取措施，才能保证排水系统的安全与合理。

1.管内气压的影响因素

（1）能量方程：假设水膜流状态，横支管出流、立管上部通大气，当横支管出流时，在其下部某一位置形成最大负压，现以空气为研究对象（见图16-10），列该断面和通气管口处断面的能量方程有

图16-10　单立管排水气压变化分析

式中：L01为两断面之间高度差引起的气压差，m；v0为（0-0）断面处空气流速，m/s；v1为（1-1）断面处空气流速，m/s；p0为（0-0）断面处空气相对压力，Pa；p1为（1-1）断面处空气相对压力，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；hy为两个断面之间空气沿程阻力，m；hj为两个断面之间空气局部阻力，m。

（2）空气沿程阻力：

式中：hy为空气沿程阻力；λ1为管壁摩擦阻力系数；L1为空气入口至水舌处距离；dj为管道内径；va为空气在通气管中的流速；λ2为气与水之间的摩擦系数；L2为水舌处至断面（1-1）处的距离；d0为气核体在管内的平均直径；vb为气核体与水膜之间的相对运动速度；g为重力加速度。

因气核与水膜之间的相对速度非常小，可认为是零，则上式可写为

（3）空气局部阻力：

式中：hj为空气的局部阻力；ζ为空气在通气管口处的局部阻力系数；K为水舌处空气的局部阻力系数；va为空气在通气管内流速。

把式（16-25）和式（16-26）代入式（16-23），又v0=0，p0=0，L0-1=0，所以经整理可得

因通气管内空气向下流动，以补充挟气水流所造成的真空，所以可近似认为va=v1，则上式简化为

又由于水膜流态时，水流达到终限流速时，隔膜下部的气核压力也基本稳定，达到某一值，气核下降速度与水膜终限流速相近，所以式（16-28）又可简化为

把式（16-12）代入上式，则有

（4）影响因素：

由式（16-29）和式（16-30）分析可知：

（1）p1与排水立管内壁的沿程阻力系数λ1成正比。

（2）p1与局部阻力系数ζ、K成正比。

（3）p1与排水量Qt、终限流速vt成正比。

（4）p1与排水管当量粗糙高度Kp成反比。

当无通气管时，ζ→∞，p1值降低，水封极易被破坏；当有通气管时，水舌局部阻力系数K的影响最为显著，K值大小与横支管与立管连接处的几何形状、水流大小等因素有关。