流体输配管网_第四章多相流管网的水力特征与水力计算(改后)

第4章 多相流管网水力特征与 水力计算

4.1 液气两相流管网水力特征与水力计算工程背景： 建筑排水管网 空调凝结水管网 蒸汽供暖管网

4.1.1 液气两相流管网水力特征4.1.1.1 建筑内部排水流动特点及水封 (1)流动特点 气、液、固均存在，固体物较少，可视为液气两相流。 水量、气压随时间变化幅度大。 流速随空间变化剧烈 。横支管进入立管，流速激增，水、 气混合；立管进入横总管，流速急降，水、气分离。

(2)水封 水封 水封位置 水封高度 水封破坏

4.1.1.2 横管内水流状态(1)能量v K = he + 2g 2g2 0

V0——竖直下落末端水流速度； he——横管断面水深；

v2

v——he水深时的水流速度； K——与连接形式有关的能量损失系数；图4-1-1 横管内水流状态示意图 1-水膜状高速水流；2-气体

(2)状态

(3)管内压力1)横支管内压力变化

2)横干管内压力变化 更为剧烈。特别注意 对建筑下部几层横支 管的影响，要与横干 管保持一定的垂直距 离。

4.1.1.3 立管中水流状态排水立管上接各层排水横支管，下接横干管或排出管， 立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内 压力变化剧烈。

(1)排水立管水流特点 1 1)断续的非均匀流 2)水气两相流 3)管内压力变化

图4-1-3 排水管内压力分布示意图

(2)排水立管中水流流动状态 1)附壁螺旋流。排水量较小，立管中心气流仍旧正常，气压较 稳定。这种状态历时很短 。 2)水膜流。有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状流。随水流 下降流速的增加，水膜所受管壁摩擦力增加。当水膜受向上的 管壁摩擦力与重力达到平衡时，下降速度和厚度不再发生变化， 这时的流速叫终限流速(vt)。从横支管水流入口至终限流速形 成处的高度叫终限长度(lt)。横向隔膜不稳定 ，形成与破坏 交替进行 。在水膜流阶段，立管内气压有波动，但其变化不会 破坏水封。 3)水塞流。随排水量继续增加，水膜厚度不断增加，隔膜下部 压力不能冲破水膜，最后形成较稳定的水塞。水塞向下运动， 管内气体压力波动剧烈，水封破坏，整个排水系统不能正常使 用。

这3个阶段流动状态的形成与管径和排水量有 关。也就是与水流充满立管断面的大小有关。 排水立管内的水流状态应为水膜流。实验表明， 在设有专用通气立管的排水系统中：Wt a= Wj 1 a < , 附壁螺旋流； 4 1 1 a = ~ , 水膜流； 4 3 1 a > , 水塞流。 3

(3)水膜流运动的力学分析水膜区以水为主的水气两相流，忽略气； 气核区以气为主的气水两相流，忽略水。 经分析推导，得出： 1 Q

vt = 1.75 K d p j 1 10 2 5

1 2 1 10 Q 5 lt = 0.44( ) ( ) Kp dj K p : 管壁的当量粗糙高度，mm

4.1.1.4 排水管在水膜流时的通水能力1 1 Q = Wt vt = α W j vt 10 10 πd 2 j Wj = 45 8 1 α 3 d j3 Q = 0.0365 K p 1 6

工作高度：横支管与立管连接处至排除管中心的距离。

4.1.1.5 影响立管内压力波动的因素及防止措施

(1) 影响排水立管内部压力的因素确保立管内通水能力和防止水封破坏是建筑内部排水系 统中两个最重要的问题，这两个问题都与立管内压力有 关。最大负压：

l ρvt2 P = (1 + ζ + λ + K ) 1 dj 2

(2)稳定立管压力增大通水能力的措施

减小终限流速 减小水舌阻力系数K

4.1.2 建筑排水管网的水力计算4.1.2.1 横管的水力计算 1. 设计规定 (1)充满度—规定最大计算充满度 (2)自净流速 —规定的最小流速 (3)管道坡度 —通用坡度，最小坡度 (4)最小管径 —防止堵塞的最小管径

2. 横管水力计算方法 对于横干管和连接多个卫生用水器具的 横支管，应逐段计算各管段的排水设计 秒流量，通过水力计算来确定各管段的 管径和坡度。建筑内部横向管道按明渠 均匀流公式计算。qu = 0.12α N P + qmax L/squ = W v 2 1 1 3 2 v = R I n m3 / s m/s

水力计算表见《建筑给水排水工程》(第四版)附录6-1和6-2

4.1.2.2 立管水力计算 排水立管按通气方式分为普通伸顶通气、 专用通气立管通气、特制配件伸顶通气 和无通气四种情况。 四种情况的排水立管最大允许通水能力 见表4-1-9,设计时先计算立管的设计秒 流量，然后查表4-1-9确定管径。