建筑排水三通支管入口设挡板水力数值模拟与实验研究

龚旭，刘德明，陈润晟

(福州大学土木工程学院 福建福州 350108)

引 言

三通管件是建筑排水系统中常见的结构形式，随着人们对建筑排水系统的要求越来越高，对于三通的分析、研究及改进也越来越多[1]。特殊单立管排水系统的迅猛发展就是例证。然而特殊单立管排水系统多用于高层建筑，在广大地区的低层建筑中依旧广泛使用普通单立管排水系统。有鉴于此，笔者希望通过对常用三通管件进行适当地改进，不但能提高普通单立管排水系统的排水能力，而且所用的改进方式属于简单易行、成本较低的方式，从而探索改善普通单立管排水系统排水能力的新思路。

苏维托特殊管件[2]通过在管件中设置挡板以达到减小“水舌”、避免横支管水流与立管下落水流相互干扰，进而增大排水能力的目的。本次实验以此为借鉴，在普通PVC三通管件横支管入水口处增设挡板，分析研究此种改进方法对于普通单立管排水系统是否具有同样的效果。实验采用数值模拟和现场实验相结合的方式进行。首先利用数值模拟软件对三通管件内部的挡板部分进行模拟，选出最优方案，而后根据模拟结果对三通管件进行相应改进并置于排水实验塔上进行相关实验。

1 数值模型[3]

数值模拟部分主要针对三通管件中挡板与投影的夹角A进行模拟，以选出合适的角度进行现场实验。考虑到管件情况及实验室条件，实验小组取15°、20°、25°及 30°四个数值进行模拟。模拟软件采用FLUENT软件，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，已广泛应用于航空、汽车、水利、石油、建筑、环境保护等各个领域。

几何模型采用T型三通管件，如(图1)所示。管道考虑绝热条件，忽略管壁厚度，管径大小均为110mm，定义两个管道入口(Inlet)、一个垂直的管道出口(Outlet)和管壁(Wall)，设定管道内充满一种流体介质(液态水)。

1.1 模拟参数

图1 几何模型示意图

横支管入口为 Inlet1，立管方向入口为 Inlet2，两入口采用速度入口条件。速度入口边界条件用于定义流动速度以及流动入口的流动属性相关标量，适用于不可压流。《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003(2009年版)表4.4.10规定，外径110mm的建筑排水塑料管横管的最大充满度为0.5，在标准坡度0.026时，可知:横管最大流量为5.8L/s，流速为1.2 m/s。参考《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》CECS 336:2013，入口 Inlet1与入口 Inlet2流量之比取1:2。考虑到模型内部为同种流体介质所充满，因此流速取值分别为0.5m/s、1.0m/s。

考虑到流体在管道内部的流动是充分发展的，湍流参数选择湍流强度(intensity)和水力直径(hydraulic diameter)。湍流强度简称湍流度或湍强，是湍流强度涨落标准差和平均速度的比值。它是衡量湍流强弱的相对指标，计算公式为I=0.16×(Re)^(-1/8)，小于1%为低湍流强度，高于10%为高湍流强度。对于圆管，水力直径等于圆管直径，对于其他几何形状，按等效水力直径确定。经过计算，两入口Inlet1、Inlet2的水力直径均为0.11m，湍流强度分别为4.0%、3.7%。

Outflow边界条件用在求解流动问题之前，流动速度和压力细节不知道的场合，适合于在出口上的流动为全发展。此边界条件假设除压力外的所有的流动参数法向梯度为0，不用于压缩性流动计算。因为出口处流动速度和压力细节未知，所以出口条件设置为Outflow。整体考虑重力影响，重力加速度设为9.8m/s2，指向z轴正方向。

夹角A取15°时管件压力云图

夹角A取20°时管件压力云图

夹角A取25°时管件压力云图

夹角A取30°时管件压力云图

迭代计算至450次左右残差曲线收敛，其结果如下所示:

1.2 结果讨论

从以上效果图可以看出，当夹角A在15°以内时会对横支管排水产生较大阻碍，使横支管产生较大的压力，不利于顺畅排水;同样当夹角A在30°以上时又会对立管方向的排水造成较大阻碍。对比夹角A 20°与25°两种情况，结合实验小组利用透明三通管件制作的简易模型进行实际观察，最终取夹角A为20°。

2 现场实验

实验小组依据数值模拟结果，在普通PVC三通管件横支管入水口处增设挡板，挡板尺寸以在横支管方向上的投影尽量覆盖横支管入水口为宜。对比挡板设置前后，建筑排水系统内部的气压波动。

图2 水源水箱

2.1 实验装置

图3 排水管压力传感器

本实验在四层排水试验塔上进行，排水塔层高 2.8m。参照《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》CECS 336:2013，设置第四层为排水层，连接DN110排水横支管及一个DN110P型存水弯;一至三层为非排水层，每层各连接DN50排水横支管及一个DN50P型存水弯。选取一至三层为观测层，测压点位于排水横支管上距立管中心450mm处。采用八路压力监测系统对压力数据进行收集，数据采集时间间隔为1s。

流量调节装置由三个流量计组成，通过调节流量计来控制输送至四层排水层的水量大小。两个1m3的储水箱作为水源，每个水箱中均放置一台潜水泵以供抽水。如(图2、图3)所示。

图4 横支管流量0.5L/s一层气压波动曲线

图5 横支管流量1.5L/s一层气压波动曲线

图6 .横支管流量0.5L/s二层气压波动曲线

图7 横支管流量1.5L/s二层气压波动曲线

图8 横支管流量0.5L/s三层气压波动曲线

图9 横支管流量1.5L/s三层气压波动曲线

图10 横支管流量0.5L/s一层气压波动曲线

图11 横支管流量1.5L/s一层气压波动曲线

图12 横支管流量0.5L/s二层气压波动曲线

图13 横支管流量1.5L/s二层气压波动曲线

图14 横支管流量0.5L/s三层气压波动曲线

图15 横支管流量1.5L/s三层气压波动曲线

2.2 实验方法[4]

参照《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》CECS 336:2013，根据实际实验条件，设计立管及横支管排水流量均为0.5L/s及1.5L/s。实验时，启动水泵，把水输送至四层排放，期间以连接在管路系统中的浮子流量计控制流量。分别收集记录三通管件在没有设置挡板和有设置挡板这两种情况下，一至三层横支管的压力波动情况。

(1)实验开始时，打开水泵将水箱中的水输送至四层，此时四层排水三通管件没有设置挡板;

(2)通过浮子流量计控制流量，保持立管方向排水流量为0.5L/s，调节横支管方向流量分别为0.5L/s及1.5L/s，由安装在各测压点的传感器收集一至三层横支管的气压数值，输送至电脑进行整理;

(3)通过浮子流量计控制流量，保持立管方向排水流量为1.5L/s，调节横支管方向流量分别为0.5L/s及1.5L/s，由安装在各测压点的传感器收集一至三层横支管的气压数值，输送至电脑进行整理;

(4)将四层排水三通管件更换为有设置挡板的PVC三通管件，重复以上步骤。

2.3 实验结果与讨

(图4-图9)为立管方向排水流量保持0.5L/s时，一至三层横支管的气压波动情况。由实验测定的各层排水横支管的气压波动曲线来看，高度的不同对横支管内气压的影响不同。当排水流量为定值时，在四层三通管件没有设置挡板的情况下，一层横支管的气压波动要明显比有挡板的情况更为剧烈。但两者的波动差异随着层高的增加而减缓，在层高为三层时趋于拟合。加大四层横支管的排水流量(流量从0.5L/s增大到1.5L/s)，这种趋势依旧存在。可见，在立管流量较小时，在排水层三通管件内部设置挡板，对稳定建筑排水系统内部的压力波动起到一定作用，但这种作用会随着高度的增加而减小。

(图10～图15)为立管方向排水流量保持1.5L/s时，一至三层横支管的气压波动情况。从这几幅气压波动曲线图可以看出，一层横支管的气压波动在四层三通管件有无设置挡板的情况下并无明显差异。同样在三层时两者的波动趋势趋于拟合。可见此时挡板稳定气压波动的作用虽然还存在，但已然不够显著。

从以上压力波动曲线图中可以看出，在三通管件内部设置挡板，对于改善建筑排水系统流态具有一定作用，但同时也存在局限性。当立管流量较小时，在排水层三通管件内部设置挡板，对稳定建筑排水系统内部的压力波动起到一定作用，且这种作用会随着高度的增加而减小;当立管流量增大到一定程度时，挡板稳定气压波动的作用虽然还存在，但并不显著，说明这种改进方式受到立管流量的影响比较明显。

在三通管件内部设置挡板具有一定的可行性，同时又存在局限性。希望本实验能够对普通三通管件的改进起到一定的借鉴作用，使得出现更多对排水配件改进的方法，为产品改进及工程应用提供相应的参考。

3 结束语

建筑排水系统与人们的生活密切相关，三通管件则是建筑排水系统中最常见的管件之一。此次笔者对改进常用三通管件进行尝试，对比研究改进前后排水系统内部的流态和气压波动，取得了一定的成果，对改善普通单立管排水系统排水能力的新思路进行了探索。同时，本次实验采用数值模拟和现场实验相结合的方式，使得一些问题、结果比较直观形象，节省了相当部分的人力物力。

[1]吴克建.建筑排水管件结构形状的改进对系统水流形态及水力学性能的影响[J].建筑给水排水，2013(01):64-69.

[2]程宏伟.特殊单立管排水系统消除支管水舌探讨[J].福建建筑，2013(11):12-13.

[3]韩占忠，王尊，兰小平.FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析[M].北京:北京理工大学出版社，2004.

[4]吴克建，张海宇.建筑排水系统水力测试方法探讨[J].给水排水，2014(04):125-128.