建筑排水三通支管入口設(shè)擋板水力數(shù)值模擬與實驗研究

龔旭，劉德明，陳潤晟

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350108)

引 言

三通管件是建筑排水系統(tǒng)中常見的結(jié)構(gòu)形式，隨著人們對建筑排水系統(tǒng)的要求越來越高，對于三通的分析、研究及改進(jìn)也越來越多[1]。特殊單立管排水系統(tǒng)的迅猛發(fā)展就是例證。然而特殊單立管排水系統(tǒng)多用于高層建筑，在廣大地區(qū)的低層建筑中依舊廣泛使用普通單立管排水系統(tǒng)。有鑒于此，筆者希望通過對常用三通管件進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)，不但能提高普通單立管排水系統(tǒng)的排水能力，而且所用的改進(jìn)方式屬于簡單易行、成本較低的方式，從而探索改善普通單立管排水系統(tǒng)排水能力的新思路。

蘇維托特殊管件[2]通過在管件中設(shè)置擋板以達(dá)到減小“水舌”、避免橫支管水流與立管下落水流相互干擾，進(jìn)而增大排水能力的目的。本次實驗以此為借鑒，在普通PVC三通管件橫支管入水口處增設(shè)擋板，分析研究此種改進(jìn)方法對于普通單立管排水系統(tǒng)是否具有同樣的效果。實驗采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先利用數(shù)值模擬軟件對三通管件內(nèi)部的擋板部分進(jìn)行模擬，選出最優(yōu)方案，而后根據(jù)模擬結(jié)果對三通管件進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)并置于排水實驗塔上進(jìn)行相關(guān)實驗。

1 數(shù)值模型[3]

數(shù)值模擬部分主要針對三通管件中擋板與投影的夾角A進(jìn)行模擬，以選出合適的角度進(jìn)行現(xiàn)場實驗?？紤]到管件情況及實驗室條件，實驗小組取15°、20°、25°及 30°四個數(shù)值進(jìn)行模擬。模擬軟件采用FLUENT軟件，它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、水利、石油、建筑、環(huán)境保護(hù)等各個領(lǐng)域。

幾何模型采用T型三通管件，如(圖1)所示。管道考慮絕熱條件，忽略管壁厚度，管徑大小均為110mm，定義兩個管道入口(Inlet)、一個垂直的管道出口(Outlet)和管壁(Wall)，設(shè)定管道內(nèi)充滿一種流體介質(zhì)(液態(tài)水)。

1.1 模擬參數(shù)

圖1 幾何模型示意圖

橫支管入口為 Inlet1，立管方向入口為 Inlet2，兩入口采用速度入口條件。速度入口邊界條件用于定義流動速度以及流動入口的流動屬性相關(guān)標(biāo)量，適用于不可壓流?！督ㄖo水排水設(shè)計規(guī)范》GB 50015-2003(2009年版)表4.4.10規(guī)定，外徑110mm的建筑排水塑料管橫管的最大充滿度為0.5，在標(biāo)準(zhǔn)坡度0.026時，可知:橫管最大流量為5.8L/s，流速為1.2 m/s。參考《住宅生活排水系統(tǒng)立管排水能力測試標(biāo)準(zhǔn)》CECS 336:2013，入口 Inlet1與入口 Inlet2流量之比取1:2?？紤]到模型內(nèi)部為同種流體介質(zhì)所充滿，因此流速取值分別為0.5m/s、1.0m/s。

考慮到流體在管道內(nèi)部的流動是充分發(fā)展的，湍流參數(shù)選擇湍流強度(intensity)和水力直徑(hydraulic diameter)。湍流強度簡稱湍流度或湍強，是湍流強度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值。它是衡量湍流強弱的相對指標(biāo)，計算公式為I=0.16×(Re)^(-1/8)，小于1%為低湍流強度，高于10%為高湍流強度。對于圓管，水力直徑等于圓管直徑，對于其他幾何形狀，按等效水力直徑確定。經(jīng)過計算，兩入口Inlet1、Inlet2的水力直徑均為0.11m，湍流強度分別為4.0%、3.7%。

Outflow邊界條件用在求解流動問題之前，流動速度和壓力細(xì)節(jié)不知道的場合，適合于在出口上的流動為全發(fā)展。此邊界條件假設(shè)除壓力外的所有的流動參數(shù)法向梯度為0，不用于壓縮性流動計算。因為出口處流動速度和壓力細(xì)節(jié)未知，所以出口條件設(shè)置為Outflow。整體考慮重力影響，重力加速度設(shè)為9.8m/s2，指向z軸正方向。

夾角A取15°時管件壓力云圖

夾角A取20°時管件壓力云圖

夾角A取25°時管件壓力云圖

夾角A取30°時管件壓力云圖

迭代計算至450次左右殘差曲線收斂，其結(jié)果如下所示:

1.2 結(jié)果討論

從以上效果圖可以看出，當(dāng)夾角A在15°以內(nèi)時會對橫支管排水產(chǎn)生較大阻礙，使橫支管產(chǎn)生較大的壓力，不利于順暢排水;同樣當(dāng)夾角A在30°以上時又會對立管方向的排水造成較大阻礙。對比夾角A 20°與25°兩種情況，結(jié)合實驗小組利用透明三通管件制作的簡易模型進(jìn)行實際觀察，最終取夾角A為20°。

2 現(xiàn)場實驗

實驗小組依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在普通PVC三通管件橫支管入水口處增設(shè)擋板，擋板尺寸以在橫支管方向上的投影盡量覆蓋橫支管入水口為宜。對比擋板設(shè)置前后，建筑排水系統(tǒng)內(nèi)部的氣壓波動。

圖2 水源水箱

2.1 實驗裝置

圖3 排水管壓力傳感器

本實驗在四層排水試驗塔上進(jìn)行，排水塔層高 2.8m。參照《住宅生活排水系統(tǒng)立管排水能力測試標(biāo)準(zhǔn)》CECS 336:2013，設(shè)置第四層為排水層，連接DN110排水橫支管及一個DN110P型存水彎;一至三層為非排水層，每層各連接DN50排水橫支管及一個DN50P型存水彎。選取一至三層為觀測層，測壓點位于排水橫支管上距立管中心450mm處。采用八路壓力監(jiān)測系統(tǒng)對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1s。

流量調(diào)節(jié)裝置由三個流量計組成，通過調(diào)節(jié)流量計來控制輸送至四層排水層的水量大小。兩個1m3的儲水箱作為水源，每個水箱中均放置一臺潛水泵以供抽水。如(圖2、圖3)所示。

圖4 橫支管流量0.5L/s一層氣壓波動曲線

圖5 橫支管流量1.5L/s一層氣壓波動曲線

圖6 .橫支管流量0.5L/s二層氣壓波動曲線

圖7 橫支管流量1.5L/s二層氣壓波動曲線

圖8 橫支管流量0.5L/s三層氣壓波動曲線

圖9 橫支管流量1.5L/s三層氣壓波動曲線

圖10 橫支管流量0.5L/s一層氣壓波動曲線

圖11 橫支管流量1.5L/s一層氣壓波動曲線

圖12 橫支管流量0.5L/s二層氣壓波動曲線

圖13 橫支管流量1.5L/s二層氣壓波動曲線

圖14 橫支管流量0.5L/s三層氣壓波動曲線

圖15 橫支管流量1.5L/s三層氣壓波動曲線

2.2 實驗方法[4]

參照《住宅生活排水系統(tǒng)立管排水能力測試標(biāo)準(zhǔn)》CECS 336:2013，根據(jù)實際實驗條件，設(shè)計立管及橫支管排水流量均為0.5L/s及1.5L/s。實驗時，啟動水泵，把水輸送至四層排放，期間以連接在管路系統(tǒng)中的浮子流量計控制流量。分別收集記錄三通管件在沒有設(shè)置擋板和有設(shè)置擋板這兩種情況下，一至三層橫支管的壓力波動情況。

(1)實驗開始時，打開水泵將水箱中的水輸送至四層，此時四層排水三通管件沒有設(shè)置擋板;

(2)通過浮子流量計控制流量，保持立管方向排水流量為0.5L/s，調(diào)節(jié)橫支管方向流量分別為0.5L/s及1.5L/s，由安裝在各測壓點的傳感器收集一至三層橫支管的氣壓數(shù)值，輸送至電腦進(jìn)行整理;

(3)通過浮子流量計控制流量，保持立管方向排水流量為1.5L/s，調(diào)節(jié)橫支管方向流量分別為0.5L/s及1.5L/s，由安裝在各測壓點的傳感器收集一至三層橫支管的氣壓數(shù)值，輸送至電腦進(jìn)行整理;

(4)將四層排水三通管件更換為有設(shè)置擋板的PVC三通管件，重復(fù)以上步驟。

2.3 實驗結(jié)果與討

(圖4-圖9)為立管方向排水流量保持0.5L/s時，一至三層橫支管的氣壓波動情況。由實驗測定的各層排水橫支管的氣壓波動曲線來看，高度的不同對橫支管內(nèi)氣壓的影響不同。當(dāng)排水流量為定值時，在四層三通管件沒有設(shè)置擋板的情況下，一層橫支管的氣壓波動要明顯比有擋板的情況更為劇烈。但兩者的波動差異隨著層高的增加而減緩，在層高為三層時趨于擬合。加大四層橫支管的排水流量(流量從0.5L/s增大到1.5L/s)，這種趨勢依舊存在。可見，在立管流量較小時，在排水層三通管件內(nèi)部設(shè)置擋板，對穩(wěn)定建筑排水系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動起到一定作用，但這種作用會隨著高度的增加而減小。

(圖10～圖15)為立管方向排水流量保持1.5L/s時，一至三層橫支管的氣壓波動情況。從這幾幅氣壓波動曲線圖可以看出，一層橫支管的氣壓波動在四層三通管件有無設(shè)置擋板的情況下并無明顯差異。同樣在三層時兩者的波動趨勢趨于擬合?？梢姶藭r擋板穩(wěn)定氣壓波動的作用雖然還存在，但已然不夠顯著。

從以上壓力波動曲線圖中可以看出，在三通管件內(nèi)部設(shè)置擋板，對于改善建筑排水系統(tǒng)流態(tài)具有一定作用，但同時也存在局限性。當(dāng)立管流量較小時，在排水層三通管件內(nèi)部設(shè)置擋板，對穩(wěn)定建筑排水系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動起到一定作用，且這種作用會隨著高度的增加而減小;當(dāng)立管流量增大到一定程度時，擋板穩(wěn)定氣壓波動的作用雖然還存在，但并不顯著，說明這種改進(jìn)方式受到立管流量的影響比較明顯。

在三通管件內(nèi)部設(shè)置擋板具有一定的可行性，同時又存在局限性。希望本實驗?zāi)軌驅(qū)ζ胀ㄈü芗母倪M(jìn)起到一定的借鑒作用，使得出現(xiàn)更多對排水配件改進(jìn)的方法，為產(chǎn)品改進(jìn)及工程應(yīng)用提供相應(yīng)的參考。

3 結(jié)束語

建筑排水系統(tǒng)與人們的生活密切相關(guān)，三通管件則是建筑排水系統(tǒng)中最常見的管件之一。此次筆者對改進(jìn)常用三通管件進(jìn)行嘗試，對比研究改進(jìn)前后排水系統(tǒng)內(nèi)部的流態(tài)和氣壓波動，取得了一定的成果，對改善普通單立管排水系統(tǒng)排水能力的新思路進(jìn)行了探索。同時，本次實驗采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方式，使得一些問題、結(jié)果比較直觀形象，節(jié)省了相當(dāng)部分的人力物力。

[1]吳克建.建筑排水管件結(jié)構(gòu)形狀的改進(jìn)對系統(tǒng)水流形態(tài)及水力學(xué)性能的影響[J].建筑給水排水，2013(01):64-69.

[2]程宏偉.特殊單立管排水系統(tǒng)消除支管水舌探討[J].福建建筑，2013(11):12-13.

[3]韓占忠，王尊，蘭小平.FLUENT:流體工程仿真計算實例與分析[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

[4]吳克建，張海宇.建筑排水系統(tǒng)水力測試方法探討[J].給水排水，2014(04):125-128.