T型三通局部阻力研究进展概述

王　彬

（四川大学建筑与环境学院，四川成都　610065）



T型三通局部阻力研究进展概述

王彬

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

摘要：随着我国经济的快速发展，城市排水管网也日益庞大。T型三通作为管网中最基本的连接构件，其局部阻力特性严重制约着城市排水管网的输水能力，这也是如何合理设计城市排水系统的前提。结合近15年相关研究文献，总结目前该领域的研究成果，为更进一步的研究作出展望。

关键词：T型三通；局部阻力；研究现状

1　前言

我国城市发展迅速，城市中的排水管网系统也越来越复杂。在建立城市排水系统时，如何设计并优化管网系统已成为了当今研究的热点和重点。排水管网连接复杂，管段长短不一，直接对管网整体水力特性进行研究不具有代表性和通用性，而T型三通管道是管网系统中最重要的连接构件之一，对其管道水力特性的研究是研究管网局部能量损失的基础。纵观国内外的相关研究，对给水管网系统中T型三通研究已经较多，但针对排水管网系统的研究却很少。T型三通连接管道时水流状况十分复杂，研究其水力特性能帮助我们有效的确定管网中水流的局部能量损失。尽管不少学者对T型三通局部能量损失进行了大量实验并归纳总结了不同流态下阻力系数的规律，但由于局部能量损失产生的边界条件互不相同，产生的局部漩涡、分离情况各有特点，很难求得一个通用的能量损失计算公式。

2　国内外研究进展

国内外已有大量学者对T型三通的局部阻力进行了研究。工程实际中主要依据水力学中给定的局部水头损失计算公式进行确定。这样的方法会给实际工程带来很大的误差，并且这些参数是前人通过实验总结得到，各参数差异性很大，会导致计算结果不准确。因此很多学者对特定管道、几何边界等不同工况问题进行研究。赵宝峰（2000）等认为不同流态下水流的流速对管道局部损失系数的影响很大，传统突扩处水头损失系数公式需要进行修正。通过试验求得突扩处局部阻力系数的修正值k，弥补了理论计算公式中的局限性，同时得出k与过流断面和流速有关。毛泽育（2003）等用DPIV和五孔毕托球对明渠交汇口处的水力特性进行了试验，结果表明当确定形状和尺寸时，交汇口处分离区形状保持不变，同时，对于大流量的交汇流而言，断面环流十分明显。段永红（2008）等应用软件Fluent对三通管中的湍流流动进行了模拟，采用标准k-ε双方程模型和Segregated隐式解法计算了湍流粘度，并得出了三通管内部的温度场与流场分布，对三通管内流场进行了分析。经验证，该模型比其他湍流模型得到了更合理、精确的计算结果。陈朝(2008)对常见的11种管道进行了数值计算模拟，通过改变管道几何尺寸来分析其对局部能量损失与水流流态的影响，分析得出各类型管道局部损失系数与雷诺数的变化规律。金林海（2010）通过软件Fluent对检查井内水流的流动情况进行了分析，得出部分类型雨水检查井的局部能量损失系数，检查井内局部能量损失远大于沿程损失的10%，这会严重的影响管道过流能力，根据管道实际局部能量损失对雨水管道的水面线进行校核。陈江林（2012）等对T型三通水力特性进行了数值模拟与试验研究，得出单管过水时能量损失比双管通水大约1.01～1.94倍，相同条件时，垂直支管能量损失比水平支管大约2.2～2.25倍，水平支管能量损失随管径比的增大而减小。石喜（2013）等采用不同管径的PVC三通进行了数值模拟和试验研究，表明主管到支管的阻力系数随雷诺数增大而减小，当雷诺数大于1.5×105后基本趋于稳定，数值计算结果与试验结果基本吻合。

国外学者对T型三通也进行了很多研究。Johanna Merlein（2000）认为排水系统中检查井处能量损失随着水深增大而增大，并建立了水工模型，在检查井处管道顶部设置有孔盖板减少能量损失，最终确定了层流能量损失系数。Shinji Arao（2002）等研究了直角井内加设有孔盖板对水流特性的影响，通过堵塞出水管口，使检查井内盖板孔口喷水，测量孔口处水柱高度确定管道内水流的传播速度，结果表明在检查井内加设有孔盖板会减小水流流速。Corrado Gisonni等对主、支管夹角分别为45°、90°的检查井进行了研究，得出检查井的研究重点在其节点过流能力，同时还发现支管水深和管径对检查井过流能力的影响很大。J·Perez Garcia（2009）等采用数值模拟结合实验研究，分析了空气在三通井内的分、合流时局部水头损失的变化规律。对不同分流比进行了研究，得出三通井内分、合流时不同分流比、入口流速时局部能量损失系数，并与实验结果相吻合。Shinji Arao（2011）等通过实验推导出三通检查井水头损失计算公式，并得出很大部分的能量损失是由进出口管径比、流量比、井内水深、跌水等造成，实验表明支管与下游主管在检查井内跌水引起的能量损失很小，对直通和支管进行多次的测量从而得出能量损失系数。Pfister Michael（2014）等对不同支管管径的检查井进行了实验研究，实验结果的分析说明影响检查井处能量损失的主要因素为上游主管和垂直支管的管径比和流量比。

3　结语

三通局部阻力的合理设计，是城市排水系统保证城市正常运行，居民生命财产安全，防止内涝频发的关键环节。因此，对排水系统T型三通连接处的局部能量损失研究十分有必要。尽管美国城市排水设计手册中已提出了局部水头损失的计算公式，但我国检查井类型较多，与国外有明显差异。因此找寻一个适用于我国城市排水系统的局部水头损失计算公式更为重要，更有研究意义和价值。

参考文献

［1］杨校礼.三岔管水流数值模拟及水流特性研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院, 2004.

［2］陈江林.三通管道水力学特性研究［D］.陕西：西北农林科技大学，2012.

［3］陈伟业.T型PVC三通管局部水头损失试验研究与数值模拟［D］.陕西：西北农林科技大学，2013.

［4］Pederseii F B，Mark O.HEAD LOSSES IN STORM SEWER MANHOLES：SUBMERGED JE TTHEORY［J］.J.Hydraul.Eng.1990: 1317-1328.

［5］吴持恭.水力学［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

作者简介：王彬（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：城市防洪、排涝与降雨径流模拟。

收稿日期：2016-01-11

中图分类号：TQ051

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0133-02