建筑排水系统中的空气流动外文翻译资料

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建筑排水系统中的空气流动

Simon Beechamamp;Terry Lucke

本文探讨了发生在商业和工业屋顶两流段排水系统的机制。包括考核了传统重力式和虹吸式屋面雨水排水系统。

空气夹带在屋面雨水排水系统的性能起着至关重要的作用。特别是，空气夹带有一个显着的影响。

最大系统流量；

管道摩擦损失；

操作系统压力；

操作排水沟水深；

系统的基本能力。

然而，这里提出的实验结果表明，系统容量的减少是不直接正比于空气含量的增加。一个可能的解释是，水和空气会受到大气压力不同的影响。影响空气夹带对屋顶排水性能的影响进行了研究。被引入到系统中的空气的方式被确定和不同的空气/水比的影响进行量化。最后叙述了减少空气夹带的方法。

关键词：虹吸式屋面排水；空气夹带；空化；启动

1．引言

每一个屋顶排水系统的目的是收集暴雨期间屋顶上的雨水，并将水安全地运到建筑物外，以减少洪水危害的风险。收集的雨水通常是传送到本地区排水系统，小溪，或某种形式的雨水收集系统，供以后重复使用。

从历史上看，建筑屋顶用传统的重力式排水系统。然而，在20世纪60年代末，开发了虹吸式屋面雨水排水系统。虹吸系统现在为从事建设的专业人士，建筑师和工程师提供了一个替代传统重力式排水系统的选择。在下面的章节中考查了两种屋顶排水系统之间的差异。

传统屋面排水系统

1.1 传统屋面排水系统

传统的屋面排水系统一般包括盒子，屋檐或屋顶排水沟（从屋顶和通道进入雨水落水管，收集径流 ，连接到水槽的下面）。落水管则通常连接地面与地下排水系统。在传统的系统的临界点往往是出口（图1）由于其容量决定了落水管中的流量和它经常也会影响沟里水的深度。一个水平槽的最大容量达到时，出口是足够大，使它可以自由地在其下游端自由排放（1997.05）。能够进入开放式落水管的水的量取决于沟中水的深度，h，和出口（管）的大小，D（图1）。根据水位，H，流动的类型分为堰式或节流式流动（1995.05）。

在传统的重力式排水系统中，通过两种主要的机制引入了空气。第一次发生在径流从屋顶面下降到下面的排水沟。被称为流量的空间变化。随着流量增加，这种类型的流动夹带的空气射流进入明渠流，如图2所示。

图1. 传统的排水沟的出口和落水管

khiadani等人（2007）在400mm宽槽用激光测速仪测量速度分布的三个维度来探索这种传统的屋面排水系统的机制。垂直和纵向矢量图的速度沿纵向中心线中距离S=123mm的两个连续射流分开，如图3所示。他们测量了一个显著的回流区附近的水表面，由于射流和排水沟流动之间的强烈的相互作用。也有较强的回流引起夹带在喷射入口点的下游喷射放电。

图2. 从屋顶面引起射流的充气条件

第二次曝气机制发生在槽流排入垂直落水管时。有研究表明，水在传统的屋面排水系统的落水管流动本质上是环形（Wright等人2006）。这意味着水下的螺旋管内的边缘或墙壁是中空的，充满空气水流的中心充满空气（图1），在整个系统保持大气压力（Wright等人2002）。由水抽出的空气，限制了管道内的横截面面积，在管截面的最大值为三分之一。这意味着，较大直径的管道需要使水槽排水更快才没有溢出风险。这类传统的屋面排水系统效率低下，通常需要多个落水管和广泛的地下管道系统（图4）。效率不高的流动输送意味着屋顶排水沟的大部分能量是在进入地下排水系统时消耗的。因此，为了从一个大的屋顶收集雨水，往往需要收集坑和抽水系统。同时，由于流动是在任何情况下，低能耗、无压排放的，空气夹带的附加影响很小。

1.2 虹吸式屋面雨水排水系统

虹吸式屋面雨水排水系统是在20世纪60年代末由Ebeling和sommerhein在斯堪的纳维亚开发的（1995）。它们是一种高效的排水系统，尤其适合需要快速排水的大屋顶建筑。相比于传统的重力式屋顶排水系统，这些系统有更多优点，所以对建筑师和设计师有更大的吸引力。

不像重力给料系统，虹吸系统的管道被设计成在其设计能力充分流动。通过使用特别设计的槽出口，空气从管道中清除和管道迅速装满水。这个过程一般被称为灌注。一旦引物，管道然后流在低于大气压的压力和驱动头则有效地在排水沟的水和排出点，这通常是接近地电平之间的高度差。与传统系统相比（Arthur等2005）这导致在这两个流速和体积流速显著增加。

可以（1995）描述了这些增加的流速和体积流速如何引起虹吸管具有高于传统管十倍的容量。虹吸系统的主要优点之一是，屋顶径流从一个虹吸系统通常排到一个单一的落水管，所以，地下排水管系统几乎完全消除（Lucke等2007），如图4b中所示。

图3矢量纵向（x方向）的曲线图和垂直（y方向）围绕两个连续射流速度与水深度h

虹吸理论大体上是基于能量方程的简化版（1995）。常用的稳定（峰值）虹吸排水系统流程设计使用这个方程求压力和来估计两个点之间的能量差（1和2），在这些点的动能和势能（方程（1））。这种能量对管道系统的摩擦（HF）和损失（HL）再平衡。

虹吸式屋面雨水排水系统的设计在部分满管和管道已满的情况下工作。这两个流状态间的转换涉及到系统的启动与否，它们都涉及大量的空气夹带（Arthur和Swaffield2001年）。启动这个术语用来描述过程中的流动阻力是足以引起管道系统将空气充满管道。这是摩擦损失在每个管流的现状，抵抗水的运动和协助管全流程的发展。

虹吸式雨水排水系统的设计，在启动时将空气从系统管道排出，他们的设计通常是基于假设非加气，稳态管满流的条件。然而，它已被证明实验（Arthur和Swaffield 2003，Arthur等人2005，Lucke和Beecham2010），在正常运行的管道内的流量很大一部分是由空气引起的。对传统的重力式屋面排水系统而言，空气以同样的方式，经流槽从屋顶排到地下排水沟。空气中也夹带在气流中，因为在出口处的虹吸效应。图5显示了空气是如何夹带进风口，因为形成一个漩涡（红色圈内所示），吸空气进入下面的出口。

充气排水沟流动和进一步的空气夹带的在各出口的综合效果可导致在管的工作高度充气的流动条件。许多研究人员指出，在曝气系统虹吸是显著，并可能导致不正确的设计假设和可能存在系统故障（May1995年，Arthur和Swaffield1999年，Arthur等人2005年，Lucke和Beecham2010年）。因此，很显然，根据的假设目前的设计方法非充气，稳定状态下，管全流条件可能不用于确定正常流动条件下虹吸式屋面排水系统的性能特征是适合。

2.虹吸系统空气夹带的影响。

2.1建筑排水系统的空气夹带和两相流

充气雨水排放是在实践中两相流。May（1995年）解释说，有很多因素控制空气夹带在建筑排水系统的比率，它仍然难以作出定量预测。曝气在二相流的程度的精确定量是实验困难的部分，Arthur等人（2005）确认，即使在实验室条件下，在湍流两相流推定空气量可以是一个复杂的，耗时的和昂贵的工作。Wylie和Streeter（1978）报道，二相流的问题已经在过去的很多研究和二相流的问题，精确计算的受试者可靠远小于单相计算。

Kalinske（1940）进行空气垂直管作为箱形水槽溢出夹带的研究。他发现，从局部到全流的过渡是一个复杂的过程，很难分析。Kalinske报道，在落水管的流型是环形的低流速和流向水落管从沟接近圆形堰流。

Lockhart和Martinelli（1949）测定在两相流能量损耗比单相流动越大。他们说明空气的存在降低水流的横截面面积和作为摩擦损耗公式是由管的区域划分，这增加因摩擦损失。他们还介绍了方程用于确定基于的概念，即密度和粘度的比率是可以互换的，并依赖于空气含量在两相流中的能量损失，由于摩擦。Wallis（1969）讨论了不同的方案来估计两相紊流摩擦因素，包括使用的所有条件的恒定值。他提出了一个均匀的流动理论分析，它提供的摩擦和动量作用的良好近似两相流。

May和Escarameia（1996）是第一研究者以调查在两相虹吸流动的空气中的浓度。他们证实，两相流的行为是复杂的，并且作为流的相当大的扩张的气泡从高压到低压的区域行进将在虹吸系统设计的一个重要因素。他们还声称，设计计算，可以强烈地受到所采用管道摩擦系数和局部损失系数的选择。Escarameia（2007）后来研究和描述中在垂直和水平管道两相流所发生的各种流动型式。

测量和两相虹吸流模型空气中含量最显著的早期尝试是由Arthur和Swaffield（1999年）。他们是第一个研究人员试图解释，并通过虹吸口测量空气夹带。其研究的主要目的是在启动阶段，研究环境水力条件，并允许进行数值建模的这些条件。他们的结论是，空气的虹吸系统的存在将影响系统的操作压力，传播速度和摩擦损失，这将导致系统容量的损失。

Lucke和Beecham进行了一系列的实验研究（Lucke和Beecham2009，2010，2010，Beecham和Lucke2012）调查，空气夹带着屋面虹吸雨水排水系统性能的基本作用。特别是，他们发现，在流中的空气夹带的程度有显着的影响的

最大系统流量的能力;

管道摩擦损失;

操作系统压力;

操作排水沟水深;

气穴。

以下各节描述进行的研究，作者在系统流量，曝气效果的操作压力，在水槽中的水的深度，管摩擦损失，在落水管包括空化效应的压力梯度。这项工作的结果与其他研究人员获得的结果。

2.2曝气对最大系统容量的影响

实验是在一个高4.7米的大型屋面雨水排水模型来探讨在虹吸式屋面排水系统的曝气效果进行（Lucke和Beecham2010年）。这些实验的主要目的是调查的影响，加气流对虹吸排水系统的能力。图6所示的实验装置示意图。

虹吸模型包括集中安装在实验水槽的基础一个直径为90mm的虹吸式出水。水槽的设计是提供一个恒定的水位为280毫米。这个水的深度被认为是足够的，以确保在其满容量为19.4L/ s的排水沟被连接到一个5000升的沉淀池的出口可以画没有空气。这确保流入的水有光滑、无气泡。

所有的管道是由有机玻璃管处内径3mm壁厚。这使得可视化的水力特性遍及从虹吸口落水管出口点整个管道系统。所有弯头均为市售，半径908，非透明的高密度聚乙烯（HDPE）压力配件。

十四种不同的空气流量为0.07L/S到6.05L/S的注入口如图6所示，它是运行在满负荷（图7）

图6 实验装置

图7 虹吸式出水管喷射空气为90mm

观察每个注入空气流量量化然后在系统容量由于水流掺气减。

此实验程序，使连续的可视化的复杂的两相流发生在管道和周围的弯曲（图7）。在图8中显示了越来越多的空气对系统容量的影响。

图8表明，在系统容量的降低是不成正比在空气含量的增加。这种非线性关系的一种可能的解释是，水和空气将通过低于大气压的压力不同的影响。May（2004）指出，气泡在充气流量体积时经受亚大气压力显著膨胀。因此，气泡可占据更多的配管容积这将有效地减少系统的流量的

Arthur等（2005）表明，正常流量条件下，虹吸系统含有10%左右的空气。

图8 增加空气含量最大流量的影响

这些试验结果表明，如果假定全流条件和没有津贴系统容量损失，由于曝气制成，有高达16％的系统容量的过估计当流含有10％的空气。如果这是设计中的情况出现它可能会产生严重的后果，如框阴沟漫溢和随后的洪水破坏。

据观察，虹吸作用停止时，流量为最大系统容量的约54％，并在该流率，该系统虹吸和非虹吸流动条件之间波动。波动的这种看法是与先前的研究相一致（May和Escarameia 1996年，Arthur和Swaffield1999年）。

2.3曝气对操作系统压力的影响

虹吸式屋面雨水排水系统的一个方面，还不是很清楚的是，系统压力和通过媒体流中夹带空气的程度之间的关系。Arthur和Swaffield（1999）报道任何突然的变化，在流入的空气中的比例可能会导致相应的突然变化的局部压力，然后在整个系统作为一个整体的传播速度在整个系统。然而，他们的研究并没有试图量化的空气夹带的程度由系统压力或相反的是系统压力影响受曝气。Ouml; ngouml;ren和Materna（2006）指出，气水混合物的行为应该在设计虹吸系统考虑，特别是如果低流量下工作压力的准确估计是必需的。

在出口的吸入效应由被水在降落管Lucke的下降质量的后面产生的负的系统压力而引起的。这种抽吸作用将导致空气和水被吸入到网点。如果出口上方的水是足够的深度，那么只有水可以进入口，因为空气被有效地密封。然而，如果系统中的压力继续降低（为一个恒定槽水位），则空气将最终被吸入到出口。

最虹吸出口被专门设计用来抑制否则将通过出口将空气吸入系统中的出口上方的涡流的形成。这通常是由放置在挡板上的主入口到系统（Arthur和Swaffield1999年）来实现。May和Escarameia（1996）测试了许多可商购的虹吸出口，发现挡板的设计对安装在水槽虹吸出口的能力的影响非常小。然而，他们的实验装置是规模相对较小，这也许可以解释为什么他们没有观察到，由于挡板的存在显著的影响。他们还发现，为了使出口达到其最大容量，需要出口以上为100mm和150毫米之间的水的深度。通过出口的最大流量10.0和15.0L/S之间测试不同的。

Baker(1996)调查如何出口几何对水管的系统性能的影响,包括一个可调节档板。Baker认为,隔板的高度应该直接与地沟水深度成正比。这个结论是在对比测试的结果可能和Escarameia（1996）发现挡板对天沟水深的影响不大。他们还发现,如果一

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