建筑排水三通支管入口設擋板水力數值模擬與實驗研究

龔旭，劉德明，陳潤晟

(福州大學土木工程學院 福建福州 350108)

引 言

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

蘇維托特殊管件[2]通過在管件中設置擋板以達到減小“水舌”、避免橫支管水流與立管下落水流相互干擾，進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擋板，分析研究此種改進方法對于普通單立管排水系統是否具有同樣的效果。實驗采用數值模擬和現場實驗相結合的方式進行。首先利用數值模擬軟件對三通管件內部的擋板部分進行模擬，選出最優方案，而后根據模擬結果對三通管件進行相應改進并置于排水實驗塔上進行相關實驗。

1 數值模型[3]

數值模擬部分主要針對三通管件中擋板與投影的夾角A進行模擬，以選出合適的角度進行現場實驗。考慮到管件情況及實驗室條件，實驗小組取15°、20°、25°及 30°四個數值進行模擬。模擬軟件采用FLUENT軟件，它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，已廣泛應用于航空、汽車、水利、石油、建筑、環境保護等各個領域。

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)，設定管道內充滿一種流體介質(液態水)。

1.1 模擬參數

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標量，適用于不可壓流。《建筑給水排水設計規范》GB 50015-2003(2009年版)表4.4.10規定，外徑110mm的建筑排水塑料管橫管的最大充滿度為0.5，在標準坡度0.026時，可知:橫管最大流量為5.8L/s，流速為1.2 m/s。參考《住宅生活排水系統立管排水能力測試標準》CECS 336:2013，入口 Inlet1與入口 Inlet2流量之比取1:2。考慮到模型內部為同種流體介質所充滿，因此流速取值分別為0.5m/s、1.0m/s。

考慮到流體在管道內部的流動是充分發展的，湍流參數選擇湍流強度(intensity)和水力直徑(hydraulic diameter)。湍流強度簡稱湍流度或湍強，是湍流強度漲落標準差和平均速度的比值。它是衡量湍流強弱的相對指標，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，流動速度和壓力細節不知道的場合，適合于在出口上的流動為全發展。此邊界條件假設除壓力外的所有的流動參數法向梯度為0，不用于壓縮性流動計算。因為出口處流動速度和壓力細節未知，所以出口條件設置為Outflow。整體考慮重力影響，重力加速度設為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，其結果如下所示:

1.2 結果討論

從以上效果圖可以看出，當夾角A在15°以內時會對橫支管排水產生較大阻礙，使橫支管產生較大的壓力，不利于順暢排水;同樣當夾角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，結合實驗小組利用透明三通管件制作的簡易模型進行實際觀察，最終取夾角A為20°。

2 現場實驗

實驗小組依據數值模擬結果，在普通PVC三通管件橫支管入水口處增設擋板，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。對比擋板設置前后，建筑排水系統內部的氣壓波動。

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行，排水塔層高 2.8m。參照《住宅生活排水系統立管排水能力測試標準》CECS 336:2013，設置第四層為排水層，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。采用八路壓力監測系統對壓力數據進行收集，數據采集時間間隔為1s。

流量調節裝置由三個流量計組成，通過調節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《住宅生活排水系統立管排水能力測試標準》CECS 336:2013，根據實際實驗條件，設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置擋板和有設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，調節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值，輸送至電腦進行整理;

(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，調節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值，輸送至電腦進行整理;

(4)將四層排水三通管件更換為有設置擋板的PVC三通管件，重復以上步驟。

2.3 實驗結果與討

(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氣壓的影響不同。當排水流量為定值時，在四層三通管件沒有設置擋板的情況下，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部設置擋板，對穩定建筑排水系統內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。可見此時擋板穩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，在三通管件內部設置擋板，對于改善建筑排水系統流態具有一定作用，但同時也存在局限性。當立管流量較小時，在排水層三通管件內部設置擋板，對穩定建筑排水系統內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;當立管流量增大到一定程度時，擋板穩定氣壓波動的作用雖然還存在，但并不顯著，說明這種改進方式受到立管流量的影響比較明顯。

在三通管件內部設置擋板具有一定的可行性，同時又存在局限性。希望本實驗能夠對普通三通管件的改進起到一定的借鑒作用，使得出現更多對排水配件改進的方法，為產品改進及工程應用提供相應的參考。

3 結束語

建筑排水系統與人們的生活密切相關，三通管件則是建筑排水系統中最常見的管件之一。此次筆者對改進常用三通管件進行嘗試，對比研究改進前后排水系統內部的流態和氣壓波動，取得了一定的成果，對改善普通單立管排水系統排水能力的新思路進行了探索。同時，本次實驗采用數值模擬和現場實驗相結合的方式，使得一些問題、結果比較直觀形象，節省了相當部分的人力物力。

[1]吳克建.建筑排水管件結構形狀的改進對系統水流形態及水力學性能的影響[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:北京理工大學出版社，2004.

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