T型三通局部阻力研究進(jìn)展概述

王　彬

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都　610065）

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T型三通局部阻力研究進(jìn)展概述

王彬

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市排水管網(wǎng)也日益龐大。T型三通作為管網(wǎng)中最基本的連接構(gòu)件，其局部阻力特性嚴(yán)重制約著城市排水管網(wǎng)的輸水能力，這也是如何合理設(shè)計(jì)城市排水系統(tǒng)的前提。結(jié)合近15年相關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)目前該領(lǐng)域的研究成果，為更進(jìn)一步的研究作出展望。

關(guān)鍵詞：T型三通；局部阻力；研究現(xiàn)狀

1　前言

我國城市發(fā)展迅速，城市中的排水管網(wǎng)系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。在建立城市排水系統(tǒng)時(shí)，如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)已成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。排水管網(wǎng)連接復(fù)雜，管段長短不一，直接對管網(wǎng)整體水力特性進(jìn)行研究不具有代表性和通用性，而T型三通管道是管網(wǎng)系統(tǒng)中最重要的連接構(gòu)件之一，對其管道水力特性的研究是研究管網(wǎng)局部能量損失的基礎(chǔ)。縱觀國內(nèi)外的相關(guān)研究，對給水管網(wǎng)系統(tǒng)中T型三通研究已經(jīng)較多，但針對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的研究卻很少。T型三通連接管道時(shí)水流狀況十分復(fù)雜，研究其水力特性能幫助我們有效的確定管網(wǎng)中水流的局部能量損失。盡管不少學(xué)者對T型三通局部能量損失進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)并歸納總結(jié)了不同流態(tài)下阻力系數(shù)的規(guī)律，但由于局部能量損失產(chǎn)生的邊界條件互不相同，產(chǎn)生的局部漩渦、分離情況各有特點(diǎn)，很難求得一個(gè)通用的能量損失計(jì)算公式。

2　國內(nèi)外研究進(jìn)展

國內(nèi)外已有大量學(xué)者對T型三通的局部阻力進(jìn)行了研究。工程實(shí)際中主要依據(jù)水力學(xué)中給定的局部水頭損失計(jì)算公式進(jìn)行確定。這樣的方法會給實(shí)際工程帶來很大的誤差，并且這些參數(shù)是前人通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到，各參數(shù)差異性很大，會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。因此很多學(xué)者對特定管道、幾何邊界等不同工況問題進(jìn)行研究。趙寶峰（2000）等認(rèn)為不同流態(tài)下水流的流速對管道局部損失系數(shù)的影響很大，傳統(tǒng)突擴(kuò)處水頭損失系數(shù)公式需要進(jìn)行修正。通過試驗(yàn)求得突擴(kuò)處局部阻力系數(shù)的修正值k，彌補(bǔ)了理論計(jì)算公式中的局限性，同時(shí)得出k與過流斷面和流速有關(guān)。毛澤育（2003）等用DPIV和五孔畢托球?qū)γ髑粎R口處的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)確定形狀和尺寸時(shí)，交匯口處分離區(qū)形狀保持不變，同時(shí)，對于大流量的交匯流而言，斷面環(huán)流十分明顯。段永紅（2008）等應(yīng)用軟件Fluent對三通管中的湍流流動進(jìn)行了模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型和Segregated隱式解法計(jì)算了湍流粘度，并得出了三通管內(nèi)部的溫度場與流場分布，對三通管內(nèi)流場進(jìn)行了分析。經(jīng)驗(yàn)證，該模型比其他湍流模型得到了更合理、精確的計(jì)算結(jié)果。陳朝(2008)對常見的11種管道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算模擬，通過改變管道幾何尺寸來分析其對局部能量損失與水流流態(tài)的影響，分析得出各類型管道局部損失系數(shù)與雷諾數(shù)的變化規(guī)律。金林海（2010）通過軟件Fluent對檢查井內(nèi)水流的流動情況進(jìn)行了分析，得出部分類型雨水檢查井的局部能量損失系數(shù)，檢查井內(nèi)局部能量損失遠(yuǎn)大于沿程損失的10%，這會嚴(yán)重的影響管道過流能力，根據(jù)管道實(shí)際局部能量損失對雨水管道的水面線進(jìn)行校核。陳江林（2012）等對T型三通水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，得出單管過水時(shí)能量損失比雙管通水大約1.01～1.94倍，相同條件時(shí)，垂直支管能量損失比水平支管大約2.2～2.25倍，水平支管能量損失隨管徑比的增大而減小。石喜（2013）等采用不同管徑的PVC三通進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，表明主管到支管的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小，當(dāng)雷諾數(shù)大于1.5×105后基本趨于穩(wěn)定，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

國外學(xué)者對T型三通也進(jìn)行了很多研究。Johanna Merlein（2000）認(rèn)為排水系統(tǒng)中檢查井處能量損失隨著水深增大而增大，并建立了水工模型，在檢查井處管道頂部設(shè)置有孔蓋板減少能量損失，最終確定了層流能量損失系數(shù)。Shinji Arao（2002）等研究了直角井內(nèi)加設(shè)有孔蓋板對水流特性的影響，通過堵塞出水管口，使檢查井內(nèi)蓋板孔口噴水，測量孔口處水柱高度確定管道內(nèi)水流的傳播速度，結(jié)果表明在檢查井內(nèi)加設(shè)有孔蓋板會減小水流流速。Corrado Gisonni等對主、支管夾角分別為45°、90°的檢查井進(jìn)行了研究，得出檢查井的研究重點(diǎn)在其節(jié)點(diǎn)過流能力，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)支管水深和管徑對檢查井過流能力的影響很大。J·Perez Garcia（2009）等采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，分析了空氣在三通井內(nèi)的分、合流時(shí)局部水頭損失的變化規(guī)律。對不同分流比進(jìn)行了研究，得出三通井內(nèi)分、合流時(shí)不同分流比、入口流速時(shí)局部能量損失系數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。Shinji Arao（2011）等通過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出三通檢查井水頭損失計(jì)算公式，并得出很大部分的能量損失是由進(jìn)出口管徑比、流量比、井內(nèi)水深、跌水等造成，實(shí)驗(yàn)表明支管與下游主管在檢查井內(nèi)跌水引起的能量損失很小，對直通和支管進(jìn)行多次的測量從而得出能量損失系數(shù)。Pfister Michael（2014）等對不同支管管徑的檢查井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析說明影響檢查井處能量損失的主要因素為上游主管和垂直支管的管徑比和流量比。

3　結(jié)語

三通局部阻力的合理設(shè)計(jì)，是城市排水系統(tǒng)保證城市正常運(yùn)行，居民生命財(cái)產(chǎn)安全，防止內(nèi)澇頻發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，對排水系統(tǒng)T型三通連接處的局部能量損失研究十分有必要。盡管美國城市排水設(shè)計(jì)手冊中已提出了局部水頭損失的計(jì)算公式，但我國檢查井類型較多，與國外有明顯差異。因此找尋一個(gè)適用于我國城市排水系統(tǒng)的局部水頭損失計(jì)算公式更為重要，更有研究意義和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］楊校禮.三岔管水流數(shù)值模擬及水流特性研究［D］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院, 2004.

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［3］陳偉業(yè).T型PVC三通管局部水頭損失試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［D］.陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

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［5］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Summary of the Research Development of T-Junction Local Resistance

WANG Bin
（College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China）

Abstract:With the rapid development of economy in our country，urban drainage pipe network is also growing.The TJunction is the most basic connection components in network，and its local resistance characteristics restricts the water conveyance capacity of the urban drainage network.It is also the premise of designing the city drainage system reasonably. Combining with the relevant research reference in nearly 15 years，the research achievements of this field are summarized，and prospect for further research is made.

Key Words:T-Junction；Local resistance；research status

作者簡介：王彬（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：城市防洪、排澇與降雨徑流模擬。

收稿日期：2016-01-11

中圖分類號：TQ051

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0133-02