CN117153037A - 一种建筑排水实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑排水实验系统及方法，属于建筑排水技术领域。通过安装超声波流量计和气压传感器实现对建筑排水系统管道内气水流动规律进行定量的研究和验证，通过安装电磁阀和手动阀门双重措施保障实验过程的水流流量大小的控制问题；采用透明管材解决了管道内气水直观的流动动态现象，能够直观地观察到建筑排水系统管道内水流形态，演示立管管道内水流流态，演示横支管水封诱导虹吸破坏，可以演示横干管的水跃现象，演示横支管进入立管的水舌现象，通过可更换的部件实现装置的多功能性，通过更换部件解决了建筑排水系统的排水能力和通气的关系，该实验方法解决了水膜流设计流态下建筑排水立管最大排水量的测量实验问题。
Description
技术领域
本发明涉及径流量变化分析技术领域，具体涉及一种建筑排水实验系统及方法。
背景技术
在建筑物中，排水系统由不同的产品、部件、管道而组成，因此排水系统的性能不仅会受到产品、管材本身的性能影响，更会受到其组合使用、多种变化的影响。如何评判排水系统的性能，是建筑行业最为困惑的问题。
目前，与室外排水相比，建筑内部横管与立管交替连接，当水流由横管进入立管时，流速急骤增大，水气混合，建筑内部排水管网接纳的排水量少，且不均匀，排水历时短，高峰流量时可能充满整个管道断面，当建筑内部排水不畅时，污水会外溢到室内地面，导致管内气压波动，有毒有害气体进入房间，直接危害人体健康，影响室内环境卫生，造成的事故危害性大，因此，缺乏建筑内部排水管系中的水气流动规律的研究。
发明内容
针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种建筑排水实验系统及方法，解决了缺乏建筑内部排水管系中的水气流动规律的研究的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种建筑排水实验系统及方法，包括高墙：
所述高墙的一侧布设有排水立管，所述排水立管的侧面通过三通连接件连通有专用通气管，所述排水立管的顶端与所述专用通气管的连接出通过三通连接件连通有伸顶通气管，所述排水立管靠近所述专用通气管的一侧设有多个气压传感器；
所述排水立管的一侧连通有排水横管，所述排水横管的进水端连接有第一水箱，所述第一水箱由第一浮球阀控制进水，所述排水横管的出水端设有电磁阀，所述电磁阀的输出端连接有超声波流量仪；所述第一浮球阀后设有一个联动水箱，用于存储颜料，随浮球阀联动；
所述排水横管的下方设置有多个排水横支管，且均与所述排水立管的一侧连通，每个所述排水横支管的上方均设置有多个第二水箱，每个所述第二水箱均由第二浮球阀控制进水，每个所述第二水箱的底端连接有存水弯，每个所述第二水箱通过所述存水弯均与所述排水横支管连通；
所述第一水箱和第二水箱的水均通过给水总阀提供进水，所述给水总阀的出水端设有闸阀，用于控制所述第一水箱和第二水箱的出水量；
所述排水立管的底部连通有排出管，所述排出管的出水端连通有排水沟，用于将排水立管、排水横管和多个排水横支管的水排入所述排水沟；通过所述多个气压传感器和超声波流量仪的测量数据。
优选地，所述排水立管、专用通气管、伸顶通气管、排水横管、存水弯和多个排水横支管均为透明材料。
优选地，所述存水弯为S形存水弯，所述存水弯的水封高度范围为50～100mm。
优选地，所述第一水箱为50L，所述第二水箱为10L。
优选地，还包括一种建筑排水实验系统的实验方法，具体步骤包括：
根据气压传感器和超声波流量仪的测量数据，确定参数变量；
得到参数变量，进行排水实验，控制第一浮球阀放水至所述第一水箱，观察水舌现象的排水流量的形态变化，在排水横管与排水立管连接处短时间内形成水舌现象；控制第一电磁阀放水至第一水箱，观察排水横管与排水立管中水流状态的变化，形成水膜流；
在形成所述水膜流状态下，通过多个气压传感器测量排水立管对应位置的压力PI，通过超声波流量仪测量排水流量Q，代入公式，得到空气阻力系数β，从而计算出水舌的阻力系数K：
其中，ρ为水的密度，ξ为局部阻力、λ为管道沿程阻力系数、L为管径，Kp为管道壁粗糙高度，dj为管道内径；
更换三通连接件为不同的三通管件，重复上述步骤计算对应水舌的阻力系数K，比较不同的三通管件条件下水舌的阻力系数K值大小，并分析其原因，研究排水实验的水气流动规律。
优选地，所述不同的三通管件包括偏心三通管件和特制配件三通管件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明通过安装超声波流量仪和气压传感器实现对建筑排水系统管道内气水流动规律进行定量的研究和验证，解决了水膜流设计流态下建筑排水立管最大排水量的测量实验问题，解决了水舌系统、水膜流水膜厚度和管道内气压测量的问题；通过安装电磁阀和闸阀双重措施保障实验过程的水流流量大小的控制问题。
2.本发明通过采用透明管材解决了管道内气水直观的流动动态现象，能够直观观察到建筑排水系统管道内水流形态，演示立管管道内水流流态(附壁螺旋流、水膜流，水塞流)，演示排水横管水封诱导虹吸破坏，可以演示排水横支管的水跃现象，演示排水横管进入排水立管连接处的水舌现象。
3.通过可更换的部件实现装置的多功能性，通过更换部件演示无通气管系统，伸顶通气管系统和专用通气管系统三种建筑排水系统的排水能力和通气的关系。
4.通过设置是建筑排水系统1：1全比例尺寸的实验装置，是实验场景的真实演绎，具有直观性和真实性，所见即所得。
附图说明
图1是本发明的第一水箱子系统结构图；
图2是本发明的第二水箱子系统结构图；
图3是本发明的排水横支管子系统结构图；
图4是本发明的给水总阀子系统结构图；
图5是本发明的横支管管道水流状态图；
图6(a)是本发明无其他排水时排水初期横支管内流态与压力变化示意图；
图6(b)是本发明无其他排水时排水末期横支管内流态与压力变化示意图；
图7(a)是本发明有其他排水时排水初期上部横支管内流态与压力变化示意图；
图7(b)是本发明有其他排水时排水末期上部横支管内流态与压力变化示意图；
图8(a)是本发明有其他排水时排水初期下部横支管内流态与压力变化示意图；
图8(b)是本发明有其他排水时排水末期下部横支管内流态与压力变化示意图；
图9是本发明的排水立管水流状态结构示意图；
图10是本发明的排水立管中水膜受力结构示意图；
图11是本发明的排水立管内压力分析示意图；
图12是本发明的水舌现象结构示意图；
图中：1、高墙；2、排水立管；3、专用通气管；4、伸顶通气管；5、排水横管；6、第一水箱；7、第一浮球阀；8、超声波流量仪；9、电磁阀；10、气压传感器；11、第二水箱；12、存水弯；13、排水横支管；14、排出管；15、楼梯；16给水总阀；17、闸阀；18、第二浮球阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-12，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
实施例
本发明提出了一种建筑排水实验系统，该实验系统为一大型实验教学装置，如图1-4所示，系统须靠高墙1布置，墙高不低于5.8米，沿墙布置DN110mm排水立管2，专用通气管3和伸顶通气管4，设排出管14排水出室内。专用通气管3和排水立管2连接三通为可更换式，可根据需要更换为直接和堵头，建筑排水管道系统可变换为伸顶通气管排水系统，专用通气管排水系统以及无通气管排水系统。图1中的A，B，C和图2中A’，B’，C’以及图4中的A”，B”，C”一一对应，图2中的D，E，F和图3中D’，E’，F’一一对应，为了方便看图，其中，A为排水立管2，B为专用通气管3，C为高墙1。
排水立管2高处接DN75mm(高5.0米左右)排水横管5并连50L第一水箱6，50L第一水箱6由第一浮球阀7控制进水，排水横管5上设电磁阀8控制50L第一水箱6排水演示代替上层建筑排水，排水横管5上设超声波流量9计计量排水流量。排水立管2上、中、下相应位置设气压传感器10测量排水立管2内的气压变化，排水立管2底部另设超声波流量9计，用于计量排水立管2的排水流量。
底部建2.6米钢筋混凝土工作台面，设楼梯15及安全围栏。工作台面上50CM高设DN110mm多个排水横支管13连接排水立管2，连接三通为可更换式，可更换为普通三通，偏心三通及特制配件三通(如苏维托管件)，以演示横支管水流进入立管的水舌现象。排水横支管13连接有3个10L第二水箱11，通过S形存水弯12连接演示坐便器排水，第二水箱11排水由第二浮球阀18控制排水。
第一水箱6和第二水箱11的水均通过给水总阀16提供进水，给水总阀16的出水端设有闸阀17，用于控制第一水箱6和第二水箱11的出水量。
全部管道和水箱及管件由透明材料制作，以便直观观察管道内水流状态变化。
本发明还提出了一种建筑排水实验系统的实验方法，由于建筑内部排水系统所接纳的排水点少，排水时间短(几秒到30秒左右)，具有断续的非均匀流特点。水流在立管内下落过程中会挟带大量空气一起向下运动，进入排水横管后变成横向流动，其能量、流动状态、管内压力及排水能力均发生变化。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，如图5所示。
通过电磁阀9控制50L的第一水箱排水，水流流入排水立管2顺流而下，流速较大，进入底部排出管14后水流由竖直方向转变为水平方向，水流动能会转变为势能，排出管14入口处排水断面水位急剧增加形成水跃，致使排出管14排气断面缩小增加了管内气体流动阻力，排水立管2底部气压会增加，通过底部气压传感器10可测量出排水立管相应位置气压变化值，如果排水立管2底部气压增加到影响底部排水横支管13水封，底层卫生器具应单独设排出管14排水。
排出管14排水沿向前流动受管道摩擦力影响会产生水头损失，动能逐渐减小，水流断面逐渐恢复为正常流状态。为了能更好观察管道水流状态，可向第一水箱6内添加红色颜料，使水流状态更便于观察。后面实验以此类推。
竖直下落的污水具有较大的动能，进人排水横管5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：
其中，v0为竖直下落末端水流速度，g为重力加速度，he为横管断面水深，v为水深为he时的水流速度，K为与排立管和横管间连接形式有关的能量损失系数。
根据实验研究，污水由竖直下落进入排水横管5后，排水横管5中的水流状态可分为：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。竖直下落的大量污水进入排水横管5形成水跃，管内水位骤然上升，以至于充满整个管道断面，使水流中挟带的气体不能自由流动，短时间内排水横管5中压力突然增加。
排水横支管13内压力的变化与排水横支管13的位置(立管的上部还是下部)和是否还有其他的排水横支管13同时排水有关，分三种情况分析横支管连接A、B、C三个卫生器具，中间卫生器具B突然排水时，排水横支管13内压力的变化情况：
如图6(a)和图6(b)所示，当排水立管2内无其他排水情况下排水横支管13内流态和压力变化示意图，图6(a)为排水初期的示意图，图6(b)为排水末期的示意图，排水横支管13承接各卫生器具的排水，直接与各个卫生器具的器具排水管连接。以排水横支管13接三个坐式大便器为例，分析当卫生器具排水时，排水横支管13内压力变化情况。
如图7(a)和图7(b)所示，当排水横支管13位于立管的上部，且排水立管2内同时还有其他排水时，在立管上部和BD段内形成负压，对B卫生器具的排水有抽吸作用，减弱了AB段的正压；C卫生器具存水弯进水段水面下降，带走少量水。图7(a)为排水初期的示意图，图7(b)为排水末期的示意图，在B卫生器具排水末期，三个卫生器具存水弯进水端水面都会下降。
如图8(a)和图8(b)所示，当排水横支管13位于排水立管2的底部，排水立管2内同时还有其他排水，图8(a)为排水初期的示意图，图8(b)为排水末期的示意图，在排水立管2底部和BD段内形成正压，即阻碍B卫生器具排水，又使A和C卫生器具存水弯进水端水面升高；其他卫生器具排水结束后，三个卫生器具存水弯进水端水面下降，排水横支管13内压力趋于稳定。
以上分析说明，横支管内压力变化与排水横支管13的位置关系较大。因卫生器具距横支管的高差较小(小于1.5m)，污水由卫生器具落到横支管时的动能小，形成的水跃低。所以，排水横支管13自身排水造成的排水横支管13内的压力波动不大。存水弯内水封高度降低的很少，一般不会造成水封破坏。
横干管连接排水立管2和室外排水检查井，接纳的卫生器具多，存在着多个卫生器具同时排水的可能，所以排水量大。另外，排水横支管13距横干管的高差大，下落污水在立管与横干管连接处动能大，在横干管起端产生的冲激流强烈，水跃高度大，水流有可能充满横干管断面。当上部水流不断下落时，立管底部与横干管之间的空气不能自由流动，空气压力骤然上升，使下部几层横支管内形成较大的正压，有时会将存水弯内的水喷溅至卫生器具内。
排水立管2连接各层的排水横支管13，下接横干管或排出管14，排水立管2内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压力变化很剧烈。排水立管2设计是否合理，会直接影响排水系统的造价和正常使用，所以，世界各国都非常重视排水立管内水流状态和压力变化的研究。
在部分充满水的排水立管2中，水流运动状态与排水量、管径、水质、管壁粗糙度、横支管与立管连接处的几何形状、立管高度及同时向排水立管2排水的横支管13数目等因素有关。其中，排水量和管径是主要因素。通常用充水率α表示，充水率α是指水流断面积wt与管道断面积wj的比值。
实验发现，随着流量的不断增加，排水立管2中水流状态主要经过附壁螺旋流、水膜流和水塞流3个阶段，如图9所示。排水立管2内的水流流动状态影响着排水系统的安全可靠程度和工程造价，若设计选用附壁螺旋流状态，系统内压力稳定，安全可靠，室内环境卫生好，但管径大造价高；若选用水塞流状态，管径小造价低，但系统内压力波动大，水封容易破坏，污染室内环境卫生。所以，在同时考虑安全因素和经济因素的情况下，各国都选用水膜流作为设计排水立管2的依据。
水膜流状态下排水立管在允许的压力波动范围内的最大允许排水能力是建筑排水立管的设计的理论依据。排水立管2中水膜可以近似看作一个中空的环状物体，这个环状物体在变加速下降过程中，同时受到向下的重力W和向上的管壁摩擦力P的作用，如图10所示，当中空的环状水膜下降速度达到最大时，向下的重力W和向上的管壁摩擦力P达到平衡，此时排水立管2水膜流速称为终限流速υt，排水立管2水膜流排水量也达到最大。
经过推导和整理，得到终限流速υt(m/s)与流量Q(m3/s)、管径dj(m)和管壁粗糙高度Kp(m)之间的关系式：
排水立管2管径dj和管壁粗糙高度Kp可查询相关资料确定，流量Q由超声波流量计测量，根据公式可计算水膜流终限流速υt,
由公式：
计算水膜流状态对应的充水率值，根据公式：
计算水膜流水膜厚度et。
水膜厚度et与管内径dj比值为：
增大排水立管2的通水能力和防止水封破坏，是建筑内部排水系统中两个最重要的问题，这两个问题都与排水立管2内的压力有关。因此，需要分析排水立管2内压力变化规律，找出影响排水立管2内压力变化的因素，根据这些影响因素，采取相应的解决办法和措施，增大排水立管2的通水能力。
如图11所示，为普通单立管系统，水流由排水横支管13进入排水立管2，在立管中呈水膜流状态挟气向下流动，空气从伸顶通气管顶4端补入。选取立管顶部空气入口处为基准面(0－0)，另一断面(1—1)选在排水横支管13下最大负压形成处。
通过更换专用通气管3和排水立管2连接三通，使排水系统由专用通气管3排水系统依次变换为伸顶通气管排水系统、无通气管排水系统。在不同通气状态下，通过电磁阀控制50L水箱放水，使排水立管2流态为水膜流稳定状态，通过排水立管2底部超声波流量计测量排水立管排水量，比较3种通气状态下相同立管管径条件下排水立管排水量变化。
水舌是水流在冲激流状态下，由排水横支管13进入排水立管2下落，在排水横支管13与排水立管2连接部短时间内形成的水力学现象。如图12所示，它沿进水流动方向充塞立管断面，同时，水舌两侧有两个气孔作为空气流动通路。这两个气孔的断面远比水舌上方立管内的气流断面积小，在水流的作用下，向下流动的空气通过水舌时，造成空气能量的局部损失。在排水立管管径一定的条件下，水舌局部阻力系数K与排水量大小、排水横支管13与排水立管2连接处的几何形状有关，排水立管2内最大负压值按公式：
得出水舌局部阻力系数K。
分别更换三通为偏心三通管件和特制配件三通管件，重复上述步骤计算对应水舌局部阻力系数K，比较不同管件条件下水舌局部阻力系数K值大小，得出排水立管2内最大负压值的大小与排水立管2内壁粗糙高度和管径成反比；与排水流量、终限流速以及空气总阻力系数成正比。
当管径一定时，在影响排水立管2压力波动的几个因素中，管顶空气进口阻力系数ξ值小，影响很小，而通气管长度L和空气密度ρ又不能随意调整改变。所以，只能改变立管流速v和水舌阻力系数K两个影响因素。
稳定立管压力，增大通水能力的切实可行的技术措施有：
(1)不断改变排水立管2内水流的方向，增加水向下流动的阻力，消耗水流的动能，减小污水在立管内的下降速度。
(2)改变排水立管2内壁表面的形状，改变水在立管内的流动轨迹和下降流速。
(3)设置专用通气管3或吸气阀，改变补气方向,使向负压区补充的空气不经过水舌，由通气立管从下补气，或由环形通气管、器具通气管从上补气。
(4)改变排水横支管13与排水立管2连接处的构造形式，代替原来的三通，避免形成水舌或减小水舌面积，减小排水横支管13下方立管内的负压值，这种管件叫上部特制配件。改变立管与排出管14、横干管连接处的构造形式，代替一般的弯头，减小立管底部和排出管14、横干管内的正压值，这种管件叫下部特制配件。上部特制配件要与下部特制配件配套使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
另外，除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
Claims (6)
1.一种建筑排水实验系统，包括高墙(1)，其特征在于：
所述高墙(1)的一侧布设有排水立管(2)，所述排水立管(2)的侧面通过三通连接件连通有专用通气管(3)，所述排水立管(2)的顶端与所述专用通气管(3)的连接出通过三通连接件连通有伸顶通气管(4)，所述排水立管(2)靠近所述专用通气管(3)的一侧设有多个气压传感器(10)；
所述排水立管(2)的一侧连通有排水横管(5)，所述排水横管(5)的进水端连接有第一水箱(6)，所述第一水箱(6)由第一浮球阀(7)控制进水，所述排水横管(5)的出水端设有电磁阀(8)，所述电磁阀(8)的输出端连接有超声波流量仪(9)；所述第一浮球阀(7)后设有一个联动水箱，用于存储颜料，随浮球阀联动；
所述排水横管(5)的下方设置有多个排水横支管(13)，且均与所述排水立管(2)的一侧连通，每个所述排水横支管(2)的上方均设置有多个第二水箱(11)，每个所述第二水箱(11)均由第二浮球阀(18)控制进水，每个所述第二水箱(11)的底端连接有存水弯(12)，每个所述第二水箱(11)通过所述存水弯(12)均与所述排水横支管(13)连通；
所述第一水箱(6)和第二水箱(11)的水均通过给水总阀(16)提供进水，所述给水总阀(16)的出水端设有闸阀(17)，用于控制所述第一水箱(6)和第二水箱(11)的出水量；
所述排水立管(2)的底部连通有排出管(14)，所述排出管(14)的出水端连通有排水沟，用于将排水立管(2)、排水横管(5)和多个排水横支管(13)的水排入所述排水沟；通过所述多个气压传感器(10)和超声波流量仪(9)的测量数据。
2.根据权利要求1所述的一种建筑排水实验系统，其特征在于，所述排水立管(2)、专用通气管(3)、伸顶通气管(4)、排水横管(5)、存水弯(12)和多个排水横支管(13)均为透明材料。
3.根据权利要求1所述的一种建筑排水实验系统，其特征在于，所述存水弯(12)为S形存水弯，所述存水弯(12)的水封高度范围为50～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种建筑排水实验系统，其特征在于，所述第一水箱(6)为50L，所述第二水箱(11)为10L。
5.一种根据权利要求1～4任意一项所述的一种建筑排水实验系统的实验方法，具体步骤包括：
根据气压传感器(10)和超声波流量仪(9)的测量数据，确定参数变量；
得到参数变量，进行排水实验，控制第一浮球阀(7)放水至所述第一水箱(6)，观察水舌现象的排水流量的形态变化，在排水横管(5)与排水立管(2)连接处短时间内形成水舌现象；控制第一电磁阀(7)放水至第一水箱(6)，观察排水横管(5)与排水立管(2)中水流状态的变化，形成水膜流；
在形成所述水膜流状态下，通过多个气压传感器(10)测量排水立管对应位置的压力PI，通过超声波流量仪(9)测量排水流量Q，代入公式，得到空气阻力系数β，从而计算出水舌的阻力系数K：
其中，ρ为水的密度，ξ为局部阻力、λ为管道沿程阻力系数、L为管径，Kp为管道壁粗糙高度，dj为管道内径；
更换三通连接件为不同的三通管件，重复上述步骤计算对应水舌的阻力系数K，比较不同的三通管件条件下水舌的阻力系数K值大小，并分析其原因，研究排水实验的水气流动规律。
6.根据权利要求5所述的一种建筑排水实验系统的实验方法，其特征在于，所述不同的三通管件包括偏心三通管件和特制配件三通管件。
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