《建筑给水排水工程》电子教案（第10讲）第3章建筑内部排水系统（3-4节）课程名称：建筑给水排水工程第9周，第10讲次摘要第3章建筑内部排水系统授课题目（章、节）3.3排水管系中的水、气流动的物理现象3.4排水系统的选择与管道的布置与附设本讲目的要求及重点难点：【目的要求】了解排水管系中水、气流动的特征，掌握水封的作用以及管道内的水流状态及影响通水能力的因素，了解影响立管内压力波动的因素及防治措施。【重】点】水封的作用及破环原因，管道内的水流状态及影响通水能力的因素【难点影响管道通水能力的因素内容【本讲课程的引入】要想和力计算和设计建筑排水系统，必须了解排水管系中的水、气流动特点以及水封的作用和破坏原因。3.3排水管系中的水、气流动的物理现象3.3.1建筑内部排水的流动特点1.水量、水压变化幅度大2.流速变化剧烈3.事故危险大3.3.2水封的作用及其破坏原因1.水封的作用：水封是设在卫生器具排水口下，用来抵抗排水管内气压的变化，以防止排水管系统中气体窜入室内的具有一定高度的水柱，规范规定要>50mm。2.水封的破坏：自虹吸损失：存水弯自身充满水形成虹吸使排水结束后存水弯高度不满足要求。诱导虹吸损失：邻近的器具排水造成它的压力、水位波动，造成水量损失。静态损失：器具长时间不用造成水量蒸发损失。3.3.3横管内水流状态1能量：坚直下落的污水具有较大的动能，进人横管后由于改变流动方向，流速减小，转化为具有一定水深的横向流动。其能量转换关系式为：k%-h+号.v2(3.3.1)2g2g式中：Vo—一竖直下落末端水流速度，m/s;h.—一横管断面水深，m；v—一h.水深时的水流速度，m/s:K一一与立管和横管间连接形式有关的能量损失系数2.水流状态1）横支管水流特点：历时短，流速大，来势猛，。尤其是大变器的支管上更明显。现象：形成水跃，使水面雍起，短时间充满管道断面，流速增加，动能亦增加。这
《建筑给水排水工程》电子教案（第 10 讲） 第 3 章 建筑内部排水系统（3-4 节） 1 课程名称：建筑给水排水工程 第 9 周，第 10 讲次 摘要 授课题目（章、节） 第 3 章 建筑内部排水系统 3.3 排水管系中的水、气流动的物理现象 3.4 排水系统的选择与管道的布置与附设 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】了解排水管系中水、气流动的特征，掌握水封的作用以及管道内的水流状态及影响通水 能力的因素，了解影响立管内压力波动的因素及防治措施。 【重 点】水封的作用及破坏原因，管道内的水流状态及影响通水能力的因素 【难 点】影响管道通水能力的因素 内容 【本讲课程的引入】 要想和力计算和设计建筑排水系统，必须了解排水管系中的水、气 流动特点以及水封的作用和破坏原因。 3.3 排水管系中的水、气流动的物理现象 3.3.1 建筑内部排水的流动特点 1. 水量、水压变化幅度大 2. 流速变化剧烈 3. 事故危险大 3.3.2 水封的作用及其破坏原因 1. 水封的作用： 水封是设在卫生器具排水口下，用来抵抗排水管内气压的变化，以防止排水管系统 中气体窜入室内的具有一定高度的水柱，规范规定要＞50mm。 2. 水封的破坏： 自虹吸损失：存水弯自身充满水形成虹吸使排水结束后存水弯高度不满足要求。 诱导虹吸损失：邻近的器具排水造成它的压力、水位波动，造成水量损失。 静态损失：器具长时间不用造成水量蒸发损失。 3.3.3 横管内水流状态 1. 能量： 坚直下落的污水具有较大的动能，进人横管后．由于改变流动方向，流 速减小，转化为具有一定水深的横向流动。其能量转换关系式为： g v h g v K e 2 2 2 2 0 = + （3.3.1） 式中： 0 v ——竖直下落末端水流速度，m/s； e h ——横管断面水深，m； v—— e h 水深时的水流速度，m／s； K ——与立管和横管间连接形式有关的能量损失系数 2. 水流状态 1）横支管 水流特点：历时短，流速大，来势猛，。尤其是大变器的支管上更明显。 现象：形成水跃，使水面壅起，短时间充满管道断面，流速增加，动能亦增加。这
《建筑给水排水工程》电子教案（第10讲）第3章建筑内部排水系统（3-4节）种不稳定的非均匀流一一冲激流。一定时间后水面下降，流速下降。结论：冲激流虽然在短时间内形成高峰流量，但由于设计充满度的考虑，使管道有足够的空间容纳高峰流量，且vt，故不会冒水。冲激流以较高的流速冲刷沉积物，有利于排水支管的排水功能。-IDB1CH中(a)PBDCA(b)图5-1横支管内压力变化2）横干管（或出户管）（见图3.3.1）污水内竖直下落进人横管后，横管中的水流状态可分为急流段、水跃及跃后段、逐渐衰减段。急流段水流速度大，水深较浅、冲刷能力强。急流段末端由于管壁阻力使流速减小，水深增加形成水跃。在水流继续向前运动的过程中，由于管壁阻力，能量逐渐减小，水深逐渐减小，趋于均匀流。水膜状高速水流气体t急流段水跃跃后段遂衰减段横管内水流状态示意图图3.3.12
《建筑给水排水工程》电子教案（第 10 讲） 第 3 章 建筑内部排水系统（3-4 节） 2 种不稳定的非均匀流——冲激流。一定时间后水面下降，流速下降。 结论：冲激流虽然在短时间内形成高峰流量，但由于设计充满度的考虑，使管道有 足够的空间容纳高峰流量，且 v↑，故不会冒水。 冲激流以较高的流速冲刷沉积物，有利于排水支管的排水功能。 图 5-1 横支管内压力变化 2）横干管（或出户管）（见图 3.3.1） 污水内竖直下落进人横管后，横管中的水流状态可分为急流段、水跃及跃后段、逐 渐衰减段。急流段水流速度大，水深较浅、冲刷能力强。急流段末端由于管壁阻力使流 速减小，水深增加形成水跃。在水流继续向前运动的过程中，由于管壁阻力，能量逐渐 减小，水深逐渐减小，趋于均匀流
《建筑给水排水工程》电子教案（第10讲）第3章建筑内部排水系统（3-4节）3.管内压力a.横支管排水管一一非满流，给空气留有自由空间，冲激流状态下，排水点处形成水塞，使空气不能自由流动，引起压力波动，如：①B点大量排水，形成水塞，充满管道，AB管段气体受到压缩，压力升高，正压，BD段气体受压缩，形成正压，使存水弯中水层上升直至破坏，称正压喷溅。②随水流排出，AB管空气随水流流走，且由空间增大而变扩疏，形成负压，抽吸A存水弯中的水层，使之下降，甚至全部流失。当满流水流至C点，会因惯性抽吸C点水层水，使之下降，甚至全部抽走一一抽吸冲激流引起正压负压变化，不利于排水横支管正常工作。b.横干管注意：对多层建筑地下横管来说所，当立管排来水量过大时，在立管底部产生强烈的冲激流，此时参混在水中的气体受阻不能自由运动，受到强烈的使管内压力增加，形成正压区，严重时，将污水从底层卫生器具存水弯中反喷出来，因此在无专用通气立管时，设计时应将底层横支管与地下横管中心线距离应有最小高度。5~6层0.75m（低）；7~9层3m；20层6m。且规定立管底部距横支管水平距离不得小于1.5m。3.3.4立管中水流状态.-多售(α)(b)(c)图5-2立管水流状态1.立管中水气流的基本特征①断续的非均匀流：②水气两相-一一部分充满水，水流夹气：③形成气压核心一一水流中空部分包卷着气体（水包气）引起压力变化2.立管中水流运动的三种状态①附壁螺旋状态流流量小时，水流附着管壁作螺旋运动（因水流受到管壁摩擦阻力)，空气可以自由流通，气压稳定为大气压。②水膜流水流增加到足以覆盖住管壁，管壁的吸附力大于水的表面张力，使水流附着在管壁作片
《建筑给水排水工程》电子教案（第 10 讲） 第 3 章 建筑内部排水系统（3-4 节） 3 3. 管内压力 a.横支管 排水管——非满流，给空气留有自由空间，冲激流状态下，排水点处形成水塞，使空气 不能自由流动，引起压力波动，如： ①B 点大量排水，形成水塞，充满管道，AB 管段气体受到压缩，压力升高，正压，BD 段气体受压缩，形成正压，使存水弯中水层上升直至破坏，称正压喷溅。 ②随水流排出，AB 管空气随水流流走，且由空间增大而变扩疏，形成负压，抽吸 A 存 水弯中的水层，使之下降，甚至全部流失。当满流水流至 C 点，会因惯性抽吸 C 点水层水， 使之下降，甚至全部抽走——抽吸 冲激流引起正压负压变化，不利于排水横支管正常工作。 b.横干管 注意：对多层建筑地下横管来说所，当立管排来水量过大时，在立管底部产生强烈的冲 激流，此时参混在水中的气体受阻不能自由运动，受到强烈的使管内压力增加，形成正压区， 严重时,将污水从底层卫生器具存水弯中反喷出来，因此在无专用通气立管时，设计时应将底 层横支管与地下横管中心线距离应有最小高度。 5~6 层 0.75m(低)；7~9 层 3m；20 层 6m。 且规定立管底部距横支管水平距离不得小于 1.5m。 3.3.4 立管中水流状态 图 5-2 立管水流状态 1. 立管中水气流的基本特征 ①断续的非均匀流；②水气两相——部分充满水，水流夹气；③形成气压核心——水流 中空部分包卷着气体(水包气)引起压力变化 2. 立管中水流运动的三种状态 ①附壁螺旋状态流 流量小时，水流附着管壁作螺旋运动(因水流受到管壁摩擦阻力)，空气可以自由流通， 气压稳定为大气压。 ②水膜流 水流增加到足以覆盖住管壁，管壁的吸附力大于水的表面张力，使水流附着在管壁作片
《建筑给水排水工程》电子教案（第10讲）第3章建筑内部排水系统（3-4节）状的水膜流状态下落。水膜流具有二个主要特征：a会形成短时间的水塞一一隔膜流，但管道中有足够的空气量可以冲破水塞，使之继续作水膜运动，1/3~1/4充水率。b.水膜运动由变速运动到匀速运动水膜形成后作加速运动，膜的厚度与下降变速运动的速度成正比，在足够长的管段上，当重力与摩擦力相等时，e不变，v亦不变，此时的流速v，终限流速③水塞流当流量达到充水率1/3以上时隔膜流形成频繁，形成不易破坏的水塞，水塞引起立管气体压力激烈波动，形成有压冲击流，在其前方形成正压，后方则为负压，其数值足以对卫生器具水封产生回压及抽吸现象，不利排水工况综上，对于一定的管径的立管，夹气水流的大小，决定着立管工况的优劣，因此必须把立管的水流流量控制在一定的范围内，以免在水流下降的过程中引起管道内压力的波动。立管的最适宜流量应在水膜形成的范围内，即充水率为1/3~1/4，此时，即充分发挥了立管的通水能力，而其压力波动又不至于太大（控制在允许范围内），立管设计流量负荷极限值，依此原则确定。3.排水立管中水膜流运动的动水力分析力学分析的目的：确定各种管径立管的通水能力。水膜一一中空的圆柱体状若按自由落体其下降v=/2gH试验表明：立管内的水流并非作自由落体运动，而是在下降之初具有加速度，e与V成正比。水流下降一段距离后，当水流受到的管壁摩擦阻力P与重力W等平衡时，便做匀速运动α=0，e不再变化。这种一直降落到立管底部保持不变的下落速度一一终限流速。自水流入口到开始形成终限流速的距离，称为终限流速。根据牛顿第二定律，建立排水立管中水膜流动运动的微分方程式，按终限流速和终限长度的定义，并引入有关参数，经数学运算得：品91).()或w=4%)1V, = 1.75(Kpd,d,L, = 0.14433v, 或 L,= 2.31()d其中：v,一一终限流速(m/s)Qu——污水立管下落的水流的流量(L/s)d——立管内径(cm)L,一一终限长度K，——管壁粗糙高度(m)，（新铸铁管K，=25X10-m)+
《建筑给水排水工程》电子教案（第 10 讲） 第 3 章 建筑内部排水系统（3-4 节） 4 状的水膜流状态下落。 水膜流具有二个主要特征： a. 会形成短时间的水塞——隔膜流，但管道中有足够的空气量可以冲破水塞，使之继续 作水膜运动，1/3~1/4 充水率。 b. 水膜运动由变速运动到匀速运动 水膜形成后作加速运动，膜的厚度与下降变速运动的速度成正比，在足够长的管段上， 当重力与摩擦力相等时， e 不变， v 亦不变，此时的流速 t v 终限流速 ③水塞流 当流量达到充水率 1/3 以上时隔膜流形成频繁，形成不易破坏的水塞，水塞引起立管气 体压力激烈波动，形成有压冲击流，在其前方形成正压，后方则为负压，其数值足以对卫生 器具水封产生回压及抽吸现象，不利排水工况 综上，对于一定的管径的立管，夹气水流的大小，决定着立管工况的优劣，因此必须把 立管的水流流量控制在一定的范围内，以免在水流下降的过程中引起管道内压力的波动。立 管的最适宜流量应在水膜形成的范围内，即充水率为 1/3~1/4，此时，即充分发挥了立管的通 水能力，而其压力波动又不至于太大(控制在允许范围内)，立管设计流量负荷极限值，依此 原则确定。 3. 排水立管中水膜流运动的动水力分析 力学分析的目的：确定各种管径立管的通水能力。 水膜——中空的圆柱体状 若按自由落体其下降 v = 2gH 试验表明：立管内的水流并非作自由落体运动，而是在下降之初具有加速度， e 与 v 成正 比。水流下降一段距离后，当水流受到的管壁摩擦阻力 P 与重力 W 等平衡时，便做匀速运动 a =0， e 不再变化。这种一直降落到立管底部保持不变的下落速度——终限流速。自水流入 口到开始形成终限流速的距离，称为终限流速。 根据牛顿第二定律，建立排水立管中水膜流动运动的微分方程式，按终限流速和终限长 度的定义，并引入有关参数，经数学运算得： 5 2 10 1 ) ( ) 1 1.75( p j t d Q K v = 或 5 2 4( ) j u t d Q v = 2 t 0.14433 t L = v 或 5 4 2.31( ) j u t d Q L = 其中： t v ——终限流速(m/s) Qu ——污水立管下落的水流的流量(L/s) j d ——立管内径(cm) Lt ——终限长度 K p ——管壁粗糙高度(m)，(新铸铁管 K p =25×10-5m)
《建筑给水排水工程》电子教案（第10讲）第3章建筑内部排水系统（3-4节）分析：①对DN100立管，当O=9I/s时，v=4m/s，当O、v超过上述值时，立管中的水流为非水膜状态。②DN100，Q=9/s，L,=3.0m，说明污水由立管经过3.0m降落后，流速v和e不变，流态稳定。表明横支管的排水在立管内引起了压立变化，不会对相邻层横支管的水封产生影响。水力学分析的目的：确定立管在压立充许波动范围内最大通水能力，提供立管设计依据，我们把下降的水膜视为一中空的圆锥体。取△L长度的基本小环，该脱离体在变加速下降过程中同时受到二个力的作用：①重力1.W=mg=Q·p·t·g②摩擦力tP=t·元·d·△根据牛顿第二定律：.dv=W-PF=ma=mdtm.dyP=mg-t·元·d,.ALm.dtπa.d,.NL.v?dy元素流：T:O.p3=g-dt8Qt8其中：m—一t时刻内通过该断面的水流质量(kg)g——重力加速度(m/s)0——下落水流流量(m2/s)P——水密度(kg/m2)t一—时间(s)T一一水流内摩擦力，单位面积上平均切应力（N/m）K.1当v→v,时，e→e,，此时v=cost，元=0.1212(P)3, K,一管壁粗糙高度(m）eK..!ndy=0，将元=0.1212（即）3代入dte5(1) (%)终限流速：V=1.75(-L/s:d,)3，此时Q一cm。kdddddv终限长度：dtdLddL92110()3L,= 0.44(KpdjK。一一管道的当量粗糙度5
《建筑给水排水工程》电子教案（第 10 讲） 第 3 章 建筑内部排水系统（3-4 节） 5 分析： ①对 DN100 立管，当 Qu =9l/s 时， t v =4m/s，当 Q 、v 超过上述值时，立管中的水流为 非水膜状态。 ②DN100，Q =9l/s， Lt =3.0m，说明污水由立管经过 3.0m 降落后，流速 v 和 e 不变，流 态稳定。表明横支管的排水在立管内引起了压立变化，不会对相邻层横支管的水封产生影响。 水力学分析的目的：确定立管在压立允许波动范围内最大通水能力，提供立管设计依据， 我们把下降的水膜视为一中空的圆锥体。取 L 长度的基本小环，该脱离体在变加速下降过 程中同时受到二个力的作用： ①重力↓ W = mg = Q t g ②摩擦力↑ P = d j L 根据牛顿第二定律： W P dt dv F = ma = m = − m g d L dt dv m = − j Qt d L v g dt dv j 8 2 = − 紊流： 2 8 = v 其中： m——t 时刻内通过该断面的水流质量(kg) g ——重力加速度(m/s2 ) Q ——下落水流流量(m3 /s) ——水密度(kg/m2 ) t ——时间(s) ——水流内摩擦力，单位面积上平均切应力(N/m2 ) 当 v→ t v 时， e→ t e ，此时 v t t = cos ， 3 1 0.1212( ) e Kp = ， K p ——管壁粗糙高度(m) 即 = 0 dt dv ，将 3 1 0.1212( ) e Kp = 代入 终限流速： 5 2 10 1 ) ( ) 1 1.75( p j t d Q K v = ，此时 Q ——L/s； j d ——cm。 终限长度： v dL dv dt dL dL dv dt dv = = 5 2 10 1 ) ( ) 1 0.44( p j t d Q K L = K p ——管道的当量粗糙度 ⊿L dj e P W=mg