虹吸雨水排放系统原理及实践课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,威派克,(青岛)雨水科技股份,有限公司,屋面雨水虹吸排放系统专家,给你一个完美的解决方案,威派克(青岛)雨水科技股份有限公司屋面雨水虹吸排放系统专家,1,虹吸雨水排放系统原理及实践,weipike威派克,TM,虹吸雨水排放系统原理及实践weipike威派克TM,2,1 重力屋面排水系统存在的主要问题,1.1 必需的水平管坡度给管道铺设带来困难,有坡度的长管道两端的落差可能被禁止；,有坡度的排水管道会影响其他相邻管道铺设。,1.2 大量的立管可能需要开挖排水沟,在现代化车间内排水沟是被禁止的；,在暗沟内布置有坡度的排水管实现上也往往存在困难（100米长坡度1%会有1米落差）；,1.3 不能适应灵活布置立管位置的要求,1.4 雨水斗即使以淹没方式进水，也必须有相当大的斗前水深,以管径100mm为例，如果流量为20升/秒，即进口流速为,V=0.02/(0.7854d,2,)=2,55m/s，设进口局部阻力 系数为0.1，斗前水深为,H=(1+0.1)V,2,/(2g)=0.345m,设计师的希望：能够像布置导线那样布置水管会多么方便！,1 重力屋面排水系统存在的主要问题1.1 必需的水平管坡度给,3,2 虹吸现象给了我们什么启示,h,Po,Po,在如图的典型虹吸过程中，C点水流具有势头H，速度水头hv，如果右侧管道存在沿程损失hy，且流速不变，则根据伯努利方程，C点的水头为,hc=Po+h-H,Po为大气压力。h肯定远小于H，,所以hc将低于大气压力，即C点,呈现负压。,正是由于C点的,负压，才使水池,中的水能够源源,不断被大气压力,压到C点，然后顺流而下，,使虹吸过程继续下去。当然，C点的负压,至少应当足以克服C点对水面的势头，由于,右侧水管低于水面，这一点可以得到保证。,如果把这种动力用到屋面雨水排放中去，就可以克服雨水横管中存在的阻力，,在没有坡度的情况下将远处的雨水输送到立管顶端。,C,H,2 虹吸现象给了我们什么启示hPoPo 在如图的典,4,虹吸排水要解决的根本问题是什么？,利用大气压力,将远离立管的雨水斗汇水,经水平铺设的横管,输送到立管顶端,解决了这个根本性问题，就会看到虹吸排水的许多优点。,虹吸排水要解决的根本问题是什么？,5,3 屋面排水中虹吸的形成过程,虹吸的形成过程是指管道中从非满管流向满管流的过渡过程。,重力排水状态,（雨量小时，管道内处于非满管流状态，即重力排水）,雨水斗的淹没,-雨水斗喉部的充满,（随着雨量加大，首先出现的是淹没雨水斗盖板，靠天沟水深在雨水斗喉部所能产生的流速足以使雨水斗喉部处于充满状态）,尾管的充满和流速的加快，形成虹吸起始流量,（喉部充满部分向下延伸，使有效水头增大，而不再限于天沟水深。当整个尾管全部充满时，形成虹吸起始流量）,水平管的充满或不充满，不起重要作用,（起始流量流过水平管时，由于一般水平管没有坡度，所以大多会形成满管流动。其阻力会使起始流量有所下降。希望阻力尽可能小，所以一般水平管都比较粗）,立管顶端开始充满，起始流量和立管顶部直径的协调,（起始流量能否将立管顶端充满，是虹吸过程正常发展的关键。被水平管降低的起始流量必须足以把立管顶端充满，或者说立管直径绝对不能大到起始流量无法充满的程度。）,立管充满高度向下延伸，直至全部充满,（立管顶部一旦被充满，则充满部分就会向下延伸，同时由于立管充满部分的高度起到增大水头的作用，从而使流量同时加大。当立管全部充满时，系统达到最大排量。）,过渡段的充满,（过渡段一般是水平段，排出需要压力，所以立管下端的压力会高于大气压力。）过渡段的阻力会使立管充满时所形成的流量有所下降。,3 屋面排水中虹吸的形成过程 虹吸的形成过程是指管道中,6,虹吸生成过程描述,水平管充满后能否向立管充满过渡，取决于流量Q,S,和立管直径的配合。,尾管充满段,水平管充满段,立管充满段,最大流量,Q,S,虹吸生成过程描述 水平管充满后能否向立管充,7,4 尾管在虹吸形成过程中的作用,从上一节的讨论中我们看到，当雨量上升到一定程度时，系统首先被充满的部分是尾管，这一点很容易被人理解。由于尾管被充满而造成有效势头增大，从而获得了一个起始流量，也就是靠这个流量在立管顶端形成了一个初始流速，这个流速必须能够使立管达到充满程度，并在立管内形成有效势头的增加，从而使流速进一步上升。,设想如果尾管非常短，因而起始流量也就很小，在立管顶端甚至达不到充满的程度，那么立管也就永远不能起到加速的作用，虹吸过程也无法形成。必要的尾管高度起到了使系统一步步充满的关键作用。规程中建议尾管高度不小于1米，是一种安全建议。实际建筑中由于吊顶高度或管道布置的限制，可能要求尾管缩、短，甚至短到0.3m，这时就需要按规程推荐的公式对尾管高度进行必要的验算。但规程中提供的验算公式在某些情况下并不合用，而需要针对具体情况具体分析。,4 尾管在虹吸形成过程中的作用 从上一节的讨论中,8,不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量,规格,流量,高度,WPK-56,WPK-90,WPK-110,WPK-125,流速,（,m/s),流量,（,m/s),流速,（,m/s),流量,（,m/s),流速,（,m/s),流量,（,m/s),流速,（,m/s),流量,（,m/s),0.5m,2.36,4.65,2.43,12.5,2.45,19.3,2.47,25.2,0.7m,2.72,5.35,2.92,14.6,2.86,22.5,2.88,29.4,1.0m,3.13,6.10,3.39,17.0,3.34,28.3,3.38,34.5,不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量 规格WPK,9,4 虹吸状态下管道内的压力分布,可以利用伯努利方程定性分析整个管道内的压力分布状态。,过渡段,：假设过渡段为水平管，则前后端势头相等；再假定管道没有直径变化，则进出口流速相同，速度水头不变。由于出口压力水头为零，所以管道前端必须存在正压，以克服过渡段对水流形成的阻力。,立管,：立管上下端存在势头差,H，立管阻力损失水头hs，立管尾部压力水头hg，仍假定管道直径不变，速度水头不变，则立管顶端的压力水头为hc=hg+hs-H，在设计上保证适当的立管损失hs和过渡段损失hg之和小于H，从而使立管顶端保持负压状态。,水平管,：为克服水平管对水流的阻力，水平管前端的压力必然大于后端压力。但设计合理的系统，可以使水平管在距立管得最远端仍保持负压状态。,尾管以及连接管,：由于尾管高度的作用，在除去尾管和连接管损失之后，尾管顶端会形成比水平管远端更低的压力，也就是在雨水斗的喉部形成相当低的负压。这个负压是维持小斗前水深的重要条件。,雨水斗喉部到边缘,：雨水斗从边缘向中心有一个水流的加速过程，这个加速过程的动力来源于从边缘到中心的压力差。雨水斗喉部的负压和边缘处的大气压力之差推动了水流的加速过程。,从以上分析可见，虹吸过程中，整个管道中除过渡段之外，几乎全部都处于负压状态。,4 虹吸状态下管道内的压力分布 可以利用伯努利方程定,10,负,正,正,负,负正正负,11,5 虹吸过程中管道内的压力限制,在我们分析虹吸排水过程中，会发现势头向压力水头的转换中涉及到水的密度,。如果,减小，相当于势头成比例减小，也就意味着排水能力的下降。水中如果存在气泡（包括空气泡和蒸汽泡），都会明显降低水的密度，从而影响虹吸排水能力。,雨量不足时混入水中的空气泡会随着雨量加大而被水流带走，但如果管道中出现过低的压力（低于水的空化压力，即常温下的饱和蒸汽压力），水中就会迅速产生大量蒸汽泡，从而降低了水的密度，大大影响系统的排水能力。为此，虹吸系统设计严格限制系统中的最低压力不得低于水的空化压力，在设计规程中要求最低水头不低于,-9m。,计算表明，虹吸系统中的最低水头一般出现在立管顶端。,从充分利用立管高度带来的势头看，应尽可能降低立管顶端的水头，从而使水平管获得更大的水流动力，但这个水头的极限值是-9m。当立管高度过高时，可能会出现立管水头剩余的现象。取沿程阻力系数为,=0.02,，当最高流速限制为,10m/s时，除去沿程损失，每米高度管道能够剩余的水头近似等于（1-.1/d)(m)。,如果管道内径为0.18m（200PE管），则（1-0.1/0.18)=0.44m。即便是考虑到过渡段的损失，当立管高度超过25米时，立管顶端的水头仍有可能低于-9m。在这种情况下往往需要舍弃一部分立管的作用，即降低立管的有效高度。常用的做法是在立管的下部加大管径，形成重力流。,5 虹吸过程中管道内的压力限制在我们分析虹吸排水过程中，会,12,大直径盖板形成足够的进口面积，保证低进口流速下获得大排量，限制斗前水深。,空气挡板下水流从边缘向中心的加速,充分利用从边缘到中心的压力差，保证了水流在喉部能加速到预期值，实现大排量。,尾管的作用,形成上升段的喉部负压，获得上升段流量,盖板的封闭作用：保持喉部负压,盖板结构应有助于防堵塞,由于盖板的存在，出现影响满管流的漩涡已经不存在。,6 虹吸雨水斗工作原理,6 虹吸雨水斗工作原理,13,7 雨水斗设计要点,虹吸雨水斗往往被认为是虹吸系统中的核心部件，甚至有人会夸大它的神秘感。这会有意无意中削弱了立管在虹吸过程中的关键作用。,其实虹吸雨水斗的唯一作用在于降低正常排水过程中的斗前水深。在条件许可的情况下，没有雨水斗也同样可以构建虹吸排水系统，比如利用集水井。,分析雨水斗进水过程时假定天沟内水流流速为零。如果雨水斗在指定斗前水深下能够获得设计流量，沿雨水斗边缘必然有相应的流速,V1，产生这个流速的动力只能来自于斗前水深形成的势头。设雨水斗进口直径为D=0.3m，进口高度h=0.035m，进口平均水深h1=0.1m，雨水斗进口面积为Ain=3.14*0.3*0.035=0.033m,2,。,雨水斗进口流速,V1=(0.1*2*9.8/(1+0.1),0.5,=1.33m/s,进口流量Qin=Ain*V1=0.033*1.33=0.044m,3,/s=44L/s,作为设计流量40L/s的雨水斗，这样的结构尺寸是可以满足天沟水深要求的。,雨水斗是否能够实现这个排量还要取决于系统设计，即系统必须保证雨水斗中心部位能够形成足够低的负压，从而保证水流从边缘到中心的加速动力。雨水斗自身只是保证在指定天沟水深下有可能获得预期的进水量。,7 雨水斗设计要点虹吸雨水斗往往被认为是虹吸系统中的核心部,14,h,V,1,h,2,V,2,P,0,大气压力，P,y,雨水斗喉部压力，V,1,进口流速，V,2,喉部流速h进口高度，D进口直径，D,y,出口直径h,1,斗前水深，h,2,平均水深,D,P,y,P,0,h,1,D,y,V1=(h,2,*2g/(1+,),0.5,进口局部阻力系数,水面,适当的圆角，能明显减小局部阻力,薄片状格栅,hV1h2V2P0大气压力，Py雨水斗喉部压力，V1进,15,雨水斗的喉部直径需要根据设计流速决定。一般雨水斗喉部的设计流速约35m/s。,雨水斗设计的另外一个要点是在最大限度防止空气进入的前提下，减小雨水斗局部阻力。无论是流道高度选定，还是流道造型设计，都必须符合流体动力学的要求。过低的通道高度或者在流道中存在障碍，都会明显加大雨水斗的局部阻力系数。,不同厂家的雨水斗，局部阻力系数会在0.21.2的范围内变化。,雨水斗盖板起到了保持雨水斗喉部负压的作用，而周边的栅栏则可以防止大的杂物进入雨水斗。盖板顶部的筋则有助于减轻漂浮杂物对排水效果的影响。,雨水斗的喉部直径需要根据设计流速决定。一般雨水斗,16,weipike威派克,TM,基本型雨水斗,WPK-56雨水斗 设计排量：12升/秒,接管直径56mm,weipike威派克TM 基本型雨水斗WPK-56,17,WPK-90雨水斗 设计排