环形通气管对S型存水弯水封保护的数值模拟

孙巧兰 刘德明

(福州大学土木工程学院 福建福州 350108)

0 引言

随着生活水平的普遍提高，居民对室内家居环境的要求越来越高，建筑排水系统的卫生状况也受到越来越多的重视。水封是目前最常用且最有效的保障排水管道与室内环境隔绝的方式，是建筑排水系统中保护室内生活环境的重要环节[1]。保护排水系统的水封对于保护建筑排水系统的最大排水能力和保持室内环境卫生都具有十分重要的现实意义。基此，本文主要运用计算流体动力学CFD软件，研究环形通气管的设置位置和管径对于排水系统横支管上的S型存水弯水封保护的影响，并通过数值模拟方法，形象直观地获得管道内部流态和压力变化的参数，以期为实验研究做适当的参考。

计算流体动力学(CFD)是由流体力学、数值数学和计算机科学的结合而集成的一门高度实用的学科。它通过计算机数值计算、模拟和分析，使用多种离散数学方法，对流体流动和热传导等物理现象的系统进行分析[2]。FLUENT软件是使用较为广泛的一款软件，现已广泛地用于建筑、航空、汽车等诸多领域。同时，模拟结果和实验研究结果的吻合性也使数值模拟得到越来越多的应用。

1 数值模拟模型构建

1.1 几何建模

本研究以室内排水横支管为数值模拟的研究对象，排水管管材采用UPVC排水塑料管(忽略管壁厚度)，考虑绝热条件，参照国家建筑标准设计图集《住宅卫生间》(14J914-2)内典型的T8型卫生间，一个坐便器、一个洗脸盆和一个地漏，卫生间平面布置如图1所示，几何模型如图2～图5所示。大便器排水管和排水横支管管径为110mm，洗脸盆排水管管径为50mm，存水弯水封深度均为50mm，坡度采用标准坡度为0.026。模型一横支管上无通气管，模型二在大便器排水管和末端存水弯中间设置50mm环形通气管，模型三在大便器排水管和末端存水弯中间设置75mm环形通气管[3]，模型四在大便器排水管和末端存水弯之间靠近末端存水弯位置，设置50mm环形通气管。

图1 卫生间平面布置图

图2 排水几何模型一

图3 排水几何模型二

图4 排水几何模型三

图5 排水几何模型四

1.2 网格划分

将CAD建立的模型导入ICEM进行网格划分，网格划分采用结构化网格和非结构化网格相结合的方法。在计算敏感区，如存水弯处，设置较密的网格以提高计算的精度。

2 数值模拟结果与分析

2.1 Fluent计算参数设置

实际排水过程属于气-液-固三相流过程[4]，相对来说，水和气体的比例较大，固体污物比例较小，对系统的流动影响也较小，因此本次模拟将排水过程简化为气、水两相流。排水初期排水管道内部全为气相，开始排水时水的比例不断增加，转变成气水两相，气相作为主相，液相为次要相。存水弯水封处初始为液相，动力黏度为0.001003kg/m·s，其余部分为气相，其粘度为1.7894×10-5kg/(m·s)，工作压力为大气压。选择计算模型为瞬态(Transient)，考虑重力加速度，大小为-9.81m/s2。

本次模拟采用的物理模型是VOF模型，计算结果能准确地显示出气、液两相的分界面。流场计算采用分离式解法；确定流型为湍流，湍流模型采用Realizable k-ε模型。求解器类型选择使用压力修正算法的 Pressure-Base求解器。

本次4个模型主要考虑大便器和洗脸盆同时排水对末端S型存水弯水封的影响，将洗脸盆和大便器排水口设为速度进口，排水过程近似为连续恒定流过程，大便器(冲洗水箱)的排水流量为1.5L/s，排水管径110mm，可计算出大便器排出口的速度为0.17m/s[5]；洗脸盆排水管的速度为0.13m/s。定义速度值时，保证速度方向垂直于边界(Normal to Boundary)。湍流定义方法设置为强度和水力直径。末端存水弯、通气管上部和排水横管出口都为压力出口。

初始化标记后的气液两相如图6～图9所示，存水弯水封部分初始为水[6]，用红色表示；其余部分初始全部充满空气，用蓝色表示。存水弯水封深度均为50mm。

图6 模型一初始液相标记图

图7 模型二初始液相标记图

图8 模型三初始液相标记图

图9 模型四初始液相标记图

2.2 模拟结果[6-7]

2.2.1横管未设置通气管时末端S型存水弯水封流态变化

(a)模型一0.25s的流态变化

(b)模型一0.5s的流态变化

(c)模型一1.25s的流态变化

(d)模型一1.75s的流态变化

(e)模型一2.25s的流态变化

(f)模型一2.75s的流态变化

(g)3s的流态变化

(h)3.25s的流态变化图10 横管不设置通气管时排水管道内流态与压力变化

由图10可以看出，卫生器具还未开始排水时，横支管内部除了存水弯水封部分其余全部充满空气，随着横支管上洗脸盆和大便器开始排水，管道内水流体积变大，空气体积被压缩，管道内压力处于波动状态。横支管内压力波动传递到末端S型存水弯处，存水弯内水封在管内压差作用下开始移动如图10(a)(b)所示。随着排水流量的不断增加，在排水横支管内，水流呈现双向流动，在其前后形成水跃。在横支管末端管段内形成正压，末端存水弯进水端水面不断上升，如图10(c)(d)所示。随着排水继续，在横管中的水越来越多形成雍水向横管末端，末端存水弯内水封不断被挤出，如图10(e)(f)所示。到3.25s左右末端存水弯内水封基本全部损失，如图10(g)(h)所示。

2.2.2横管设置DN50环形通气管时末端S型存水弯流态变化

由图11可以看出，相同的排水条件，由于横管上增加了50mm的环形通气管，存水弯内水封在管内压差作用下刚开始只出现轻微移动，如图11(a)(b)(c)所示。随着排水流量的不断增加，在排水横支管内，在横管中的水形成雍水不断向横支管末端流动，水封出现了少量损失，如图11(d)(e)所示。随着末端雍水越来越多，存水弯水封出现了一定程度的波动，到3.1s左右末端存水弯内水封并未有明显的损失，如图11(f)(g)(h)所示。

(a)0.15s的流态变化

(b)0.5s的流态变化

(c)0.9s的流态变化

(d)1.3s的流态变化

(e)1.9s的流态变化

(f)2.1s的流态变化

(g)2.5s的流态变化

(h)3.1s的流态变化图11 横管设置DN50环形通气管时排水管道内流态变化

2.2.3横管设置DN75环形通气管时末端S型存水弯水封流态变化

(a)0.2s的流态变化

(b)0.4s的流态变化

(c)1.2s的流态变化

(d)1.6s的流态变化

(e)2s的流态变化

(f)2.2s的流态变化

(g)2.6s的流态变化

(h)3s的流态变化图12 横管设置DN75环形通气管时排水管道内流态变化

由图12可以看出，相同的排水条件，由于横管上增加了75mm的环形通气管，存水弯内水封在管内压差作用下排水初期也只出现轻微移动，如图12(a)(b)所示。随着排水流量的不断增加，在排水横支管内，在横管中的水形成雍水不断向横支管末端流动，水封不断波动并出现了少量损失，如图12(c)(d)(e)所示。随后，存水弯水封处于不断波动过程，到3s左右末端存水弯内水封并未出现明显的损失，如图12(f)(g)(h)所示。

2.2.4靠近存末端水弯设置DN50环形通气管时末端S型存水弯水封流态变化

由图13可以看出，相同的排水条件，由于将50mm的环形通气管移至靠近末端存水弯处时，存水弯内水封在管内压差作用下刚开始只出现轻微移动，如图13(a)(b)所示。随着排水流量的不断增加，在排水横支管内，在横管中的水形成雍水不断向横支管末端流动，水封出现了少量损失，如图13(c)(d)所示。随着管内气压波动越来越强烈，存水弯水封在负压的作用下出现了一定程度的损失，到3s左右末端存水弯内水封出现了明显的损失，如图13(e)(f)(g)(h)所示。

(a)0.2s的流态变化

(b)0.5s的流态变化

(c)0.8s的流态变化

(d)1.3s的流态变化

(e)1.7s的流态变化

(f)2.0s的流态变化

(g)2.5s的流态变化

(h)3.0s的流态变化图13 横管靠近存末端水弯设置DN50环形通气管时排水管道内流态变化

3 结论

由以上4种模型的排水流态变化过程可以看出，当横管尚未设置环形通气管时，管道内气压波动较大，导致末端存水弯水封水量不断损失，到3s左右基本损失殆尽。当在横管末端两个卫生器具中间设置环形通气管时，管道内气压波动较为平缓，末端S型存水弯的水封仅出现微弱的损失。即排水条件相同时，在排水横支管上设置环形通气管对于水封保护有一定的作用。

在横管上设置DN50和DN75的环形通气管时，存水弯内水封波动没有太大的差异，说明通气管的管径并不是越大越好。

将环形通气管的位置移动至靠近末端存水弯时，其管内气压波动基本介于两者之间，末端S型存水弯的水封到3s左右出现了一定程度的损失，说明环形通气管的设置位置对于水封保护会产生不同的影响和作用。

本研究运用计算流体动力学FLUENT软件，对建筑排水横支管排水流态进行数值模拟，研究环形通气管的设置位置和管径对室内排水系统横支管中S型存水弯的水封保护的影响，直观形象地得出了存水弯内部水封变化的具体流态，可见数值模拟对于研究流体问题是可行的[8]。

此外，本研究仅考虑气液两相流的情况，而在现实的建筑排水系统中，其内部流态是气液固三相流；同时只研究了S型存水弯，因此，对于这一方面的研究还有待进一步深入。