[精品文档]虹吸排水系统设计的基本原理 56页

'虹吸排水系统基本原理及设计基础（Principleanddesignfoundation）1屋面虹吸排水系统的工作原理（Principleofsiphonicroofrainwaterdrainadgesystems）1.1什么是虹吸排水C下面是一红虹吸过程示意图。 这是一个典型的2雨水斗虹吸排水系统。当然，这也可以是一个重力排水系统（gravitydrainagesystems）。如果是重力排水系统，在管道中肯定是处于气水混合流(mixedstramofair-water)状态，而且可以认为整个系统从下到上气流贯贯通的，也就是说，管道内各点的压力都等于大气压。水流在这种状态下，只能靠重力的作用，从高向低流。在连接管管和立管内，由于进出口高差的作用，水流自上而下流动不成问题。但是在水平管和过渡段，要使水流保持足够的流速，就必须使管道有一定坡度（gradient）。坡度的大小，自然和流量以及管道通流有效面积有关，一般可以用谢才公式（theChezyformulas）计算流量：Q=AR2/3J0.5/n（1）式中，Q—管道流量（rateofflow），m3/sA—有效过流面积（effectivearea），m2R—管道水力半径（hydraulicradius）,mJ—管道坡度，无量纲n—管道表面粗糙度（roughness），对塑料管道，n=0.009，对钢管，n=0.011管道水力半径R=A/湿周长度，m在实践中要使管道用小的坡度通过较大的流量，需要很大的管道直径，而且有坡度的管道在现代厂房中铺设也存在困难，因为其他管线都是水平铺设的。我们可以做一个简单的计算来说明重力排水在大屋面排水中有多大困难。设排水管线长度为100米，如果保持J=1%=0.01的坡度，就意味着上下游有1m的高差，这已经给管线铺设带来的许多不便。 假定屋面面积3000m2，大约有150L/s=0.15m3/s的雨水量。假如选用规格315的PE管，内径0.29m，截面积0.066m2,周长0.91m。设充满度（degreeoffullness）0.6，湿周长（lengthofsoak）约0.5m，过流面积A=0.6*0.066=0.0396m2水力半径R=0.0396/0.5=0.0792m取n=0.009Q=0.0396*0.07922/3*0.010.5/0.009=0.081m3/s这和要求的通流量0.15m3/s差的太远。要通过150L/s的流量，坡度要达到3.4%，这在实践上是不可能的。另一个办法就是加大管道直径。如果保持1%的坡度，则过流面积要加大到1.85倍，管径要加大到原来的1.36倍，即使用直径450mm的管道。显然这样的管道成本也是很高，而且难以施工。以上的计算想说明这样一个事实：重力排水的管道除了需要坡度，也需要很大的管径，这在许多建筑中是很难实施。如果能够把管道内的重力流（gravityflow）变成压力流（pressureflow），管道就不再需要坡度。回到前面的虹吸排水原理图上，当管道内充满水流时，从雨水斗开始到过渡段出口为止，水流的能量发生了一次转换：从总的势能（高度H所提供，potentialenergy）转换为过渡段出口的动能（kineticenergy），并克服了管道内各种阻力所造成的损失（resistancehead）。阻力损失由管道内的各种管件形成的局部阻力（localresistance）以及管道的沿程阻力（on-wayresistance）所产生。从雨水斗到达管道的的任何一个截面，水流的能量都在不断发生变化和转换。能量的基本形式是势能，动能，压力能（pressureenergy）。在没有阻力损失的情况下，三部分之和为常数，等于天沟（roofgutter）与系统出口高度差所具有的势能，这就是理想流体伯努利方程（Bernoulliequation）所描述的内容：h1+p1/(ρg)+v12/(2g)=h2+p2/(ρg)+v22/(2g)(2) 作为一个特例，如果管道内的水流处于静止状态，则流速V=0。取H=h1-h2，并取p1=0，则p2=ρgH，这说明势能全部转换成了下部的压力能。对水而言，水的密度(density)为1000kg/m3，取重力加速度(gravityacceleration)g=9.81m/s2，则10米高度形成的压力为 p2=10*1000*9.8=98kN/m2=98kPa=0.0981MPa=981mbar=0.981bar。反过来，如果是一个一端封闭灌满水的管道倒立在水中，此时封闭端的内部压力就和封闭端与水面的距离有关，设水面高度h2=0，压力p2=0（大气压力），则ρgH+P1=0+0P1=-ρgH即封闭端内部表现为负压，和高度H成正比。但这里有一个概念要清楚，绝对压力最低极限是0，不可能为负值。这里的负压仅仅是相对大气压力而言，所以负压的极小值就是一个大气压力的负值。1个工程大气压（technicalatmosphere）=1kgf/cm2=0.981巴（bar）1个标准大气压（standardatmosphericpressure）=1.033工程大气压=0.1013MPa我们常说一个大气压力等于10米水柱的压力，是一个近似值。由于管道实际存在阻力损失，所以在前后两个截面上三部分能量之和会有差别，就是这段管道的阻力损失。实际流体的伯努利方程表述为：h1+p1/(ρg)+v12/(2g)=h2+p2/(ρg)+v22/(2g)+ΣζV2/(2g)+ΣλLV2/(2gd)(2)在弄清虹吸排水原理之前，我们先用伯努利方程分析一下立管顶端的压力和哪些因素有关。取立管顶端为截面1，系统出口为截面2。立管顶端高度为HL,压力为Pc，速度为Vc，出口高度为零，压力为零，速度为Vg。设立管和过渡段的阻力损失总和为Hz，代入伯努利方程(2)，HL+pc/(ρg)+vc2/(2g)=vg2/(2g)+Hzpc=ρg（Hz-HL+vg2/(2g)-vc2/(2g)）（3）实际系统中，vg<