谈排水系统中水\气流动的特点

【摘要】卫生器具排水的特点是间歇排水，排水中含有粪便、纸屑等杂物，在排水过程中又挟带大量空气，实际水流运动呈水、气、固三相流状态。因固体物所占体积较小，可简化为水、气两相断续非均匀流。对排水系统中水、气两相流的研究，是合理设计高层建筑排水系统的基础。

【关键词】排水；系统；水；气；流动；特点

卫生器具排水的特点是间歇排水，排水中含有粪便、纸屑等杂物，在排水过程中又挟带大量空气，实际水流运动呈水、气、固三相流状态。因固体物所占体积较小，可简化为水、气两相断续非均匀流。对排水系统中水、气两相流的研究，是合理设计高层建筑排水系统的基础。

1 水封及其被破坏的原因

为防止排水管道中产生的臭气及各种有害气体进入室内污染环境，需在卫生器具出口处设置存水弯。存水弯中存有一定高度的水柱，称为水封高度。水封高度越大，防止气体穿透的能力越强，但也越容易在存水弯底部沉积赃物，堵塞管道。为防止气体穿透水封进入室内，水封高度不得小于50mm，通常采用50 ~ 100 mm；对于特殊用途器具，当存水弯较易清扫时，水封高度可以超过100mm。

1.1 器具存水弯中水封被破坏的原因

1.1.1 自虹吸作用

卫生器具瞬时大量排水时，因存水弯自身充满而发生虹吸，使存水弯中的水被抽吸。

1.1.2 诱导虹吸作用

立管中排水流量较大时,会造成中、上部立管水流流过的横支管在短时间内形成负压,使卫生器具的水封被抽吸;横支管上一个或多个卫生器具排水时,也会造成不排水卫生器具的存水弯产生压力波动，形成虹吸而破坏水封。

1.1.3 正压喷溅

当卫生器具大量排水时，立管中水流高速下降，易在立管底部形成正压，使存水弯中的水封受压向上喷冒；当正压消失时，上升的水柱下落，由于惯性力使部分水向流出方向排出而损失水封高度。

1.1.4 惯性晃动

立管中瞬时大量排水或通气管中倒灌强风，使水封水面交替上下晃动，不断溢出水量，降低水封高度。

1.1.5 毛细管现象

在存水弯的排出口一侧因向下挂有毛发、布条之类的杂物，在毛细管作用下吸出存水弯中的水。

1.1.6 蒸发卫生器具长期不用，存水弯中的水封因逐渐蒸发而破坏，尤其在冬季室内有采暖设备时蒸发更快。学校或旅馆等长期无人使用的卫生间，地漏水封容易因蒸发而损失。

1.2 美国规范明确禁止使用的存水弯

1.2.1 有移动部件的存水弯利用机械或移动部件保存水封不可靠，同时这种存水弯有可能被污水腐蚀而失去效用，或加剧堵塞。

1.2.2 钟罩式存水弯一般不能提供足够的水封深度抵御管道系统中的压力波动，水封容易被破坏，而且水封易蒸发，钟罩处易堵塞。

1.2.3 冠顶通气的存水弯通气部位距水流紊动区太近，不利于通气。

1.2.4 内分隔型存水弯 分隔在存水弯内部无法看见，若被腐蚀或遭到机械损坏，则失去作用。此外，造价较高，内部也容易堵塞，可用于卫生器具自带的存水弯，但材料必须是玻璃、陶瓷或塑料。

1.2.5 S形存水弯弯内水流垂直向下，与重力方向一致，造成存水弯出口侧水流容易加速而形成虹吸。

1.2.6 圆筒形存水弯该存水弯用于浴缸类卫生器具，容易滞留毛发，引起堵塞。

2 排水横管中的水流运动

建筑内部排水横管中的水流运动是一种复杂的带有可压缩性气体的非稳定、非均匀的流动。

2.1 横管的水流状态

器具排出管竖直下落的污水具有较大的动能,在器具排出管或排水立管与横管连接处流态发生转换，水面壅起形成水跃。此后流速下降，水流在横管内形成具有一定水深的横向流动。水流能量转化的剧烈程度与管道坡度、管径、排水流量、持续时间、排放点高度、卫生器具出口形式及管件形式等因素有关。

高层建筑立管长、排水流量大，污废水到达立管下端后，高速冲入横干管产生强烈的冲激流，水面高高跃起，污废水可能充满整个管道断面。

卫生器具距离横支管的高差较小，污废水具有的动能小，在横支管处形成的水跃紊动性较弱,水流在横管内通常呈八字形流动。水面壅起较高时，也可能充满整个管段断面。

2.2 横管中的气压变化

当卫生器具排水时，有可能造成管道内局部空气不能自由流动而形成正压或负压，导致水封破坏。排水管道设计成非满流，是让空气有自由流动的空间，防止压力波动。

横支管中的气压变化当立管大量排水时，8点卫生器具排水，横支管内的空气压力变化:排水初期，AB和BC段空气受到压缩,形成正压，在短时间内使存水弯进口端水面上升H1高度;排水末期，AB和BC段空气因被水流挟带走而减少，形成负压，抽吸。横支管内的正压和负压处于交替变化状态。横干管内的气压变化当立管排水时,水流不断下落，立管底部与横干管之间的空气不能自由流动，空气压力骤然上升，使下部几层横支管形成较大的正压。当排水量大时，存水弯内的水还可能出现正压喷溅现象。

3 排水立管中的水流状态

由横支管进入立管的水流是断续的、非均匀的，排水立管中的水流为水、气两相流。水流或气流的大小，决定了立管工作状态是否良好。因此，各种管径的立管都只允许一定的水量通过，以保证水流在下落过程中产生的压力波动不致破坏水封。

3.1 附壁螺旋流

当流量较小、充水率低时，因排水立管内壁粗糙，管壁和水的界面张力较大，水流沿着管壁周边向下作螺旋运动。此时立管中气流顺畅，通气量大，气压稳定。随着流量增加，螺旋运动开始被破坏，当水量足够覆盖住管壁时，螺旋流完全停止，水流附着管壁下落，此时管内气压仍较稳定。但这种状态属于过渡阶段，时间短，流量稍微增加，很快就转入另一个状态。

3.2 水膜流

当流量继续增加，由于空气阻力和管壁摩擦力的作用，形成具有一定厚度的环状薄膜，沿管壁向下运动。这一状态有2个特点：第一，环状水流下降过程中可能伴随产生横向隔膜，导致短时间内形成不稳定的水塞，但这种横向隔膜较薄，能够被空气冲破，这种现象主要是在充水率为1/4 ~ 1/3时发生的;第二，水膜运动开始后便以加速度下降，当下降到一定距离后，速度稳定，水膜厚度不再变化。

3.3 水塞流

当流量足够大，充水率大于1/3后，横向隔膜的形成更加频繁，厚度的增加也使它不易被空气冲破，水流进入较稳定的水塞运动阶段。水塞运动引起立管内气压激烈波动，对水封产生严重影响，对排水系统的工况极为不利。水流下落时带着气体一起流动，水流在立管的中心部位包卷着一团气体，称为气核体。在整个水流下落的过程中，气核体不断发生气体压力的变化:舒张或压缩。

参考文献

[1]赵锂，杨世兴，赵昕.建国以来我国建筑给水排水技术发展历程回顾[N].中国建设报，2008-11-18.

[2]GBJ15-88.建筑给水排水设计规范[S].