公共建筑单出口虹吸排水系统运行特性试验与数值研究

摘要：对于大型公共建筑，虹吸排水系统有利于建筑安全和运行。然而，传统的虹吸排水系统基于全管流量设计，仅适用于特定标准，无法评估从启动到整个虹吸形成过程的详细流量特性。因此提出全尺寸的单出口虹吸排水系统实验平台，以研究虹吸排水的流动特性。并建立虹吸排水系统的全尺寸数值模型，进一步研究管道直径、排水量和管道坡度对水力性能4个要素的影响。实验结果表明：当悬浮管内的空气耗尽，立管内的空气较小时，可以确定虹吸满管流完全形成。此时，如果取水量大于排量，则系统继续以全流量状态运行。在相同水量下，减小管道直径可以有效降低水位高度，但同时也会增加满水程度。在直径较大的管道中，坡度越小，水力跃迁的能量耗散越弱，水力跃迁的持续时间越长。

关键词：公共建筑单出口虹吸排水系统（单出口虹吸排水系统？？）运行特性数值模拟

中图分类号：TU823

Experimental and Numerical Research on the Operational Characteristics of the Single-Outlet Siphon Drainage System in Public Buildings

WENZhifang

Hunan CityUniversity Design and Research Institute Co.， Ltd.，Changsha，Hunan Province，410000 China

Abstract：Fora large-scale public building， the siphon drainage systemis beneficial for the safety and operation ofthe building. However， the traditional siphon drainage systemis based on full-pipe flow design and is only applicable to specific standards， making it impossible to evaluate the detailed flow characteristics from start-up to the entire siphon formation process. Therefore， a full-scale experimental platformfor the single-outlet siphon drainage system is proposed to study the flow characteristics of siphon drainage， and a full-scale numerical model of the siphon drainage system is established to further study the effects of the pipe diameter， drainage volume and pipeline slope on the four elements of hydraulic performance. Experimental results indicate that it can be determined that the siphonic full-pipe flow is completely formedwhen the air inside the suspension pipe is depleted and the air inside the riser is less. At this point， if water intake exceeds displacement， the system will continue to operate at full flow. Under the same amount of water， reducing the diameter of the pipe can effectively lower the height of the water level， but also increase the full water level. In pipes with larger diameters， the smaller the slope， the weaker the energy dissipation of the hydraulic transition， and the longer the duration of thehydraulic transition.

Key Words：Public building; Single outlet;Siphon drainage system; Operating characteristic; Numerical simulation

虹吸式排水系统在山体滑坡、屋顶得到了广泛应用[1]。虹吸式排水系统其高效的排水性能，已逐渐成为大多数大型公共建筑排水系统重要的组成部分。与传统的屋顶排水系统相比，虹吸式屋顶排水系统能够避免空气进入系统，从而创造虹吸所需的全管道流动条件[2]。

虹吸屋顶排水系统对大多数大型公共建筑具有显著的优势，如排水效率较高、运行中的结构较少、对建筑的影响小等。虽然虹吸式屋面排水系统中不可避免地会进入少量夹带空气，但目前虹吸式排水系统仍具有较高的排水能力。然而，当虹吸系统遇到低于设计标准的降雨条件或超过特定标准的暴雨条件时，无法采用稳态设计的方法。

1 实验方法与设计

1.1 实验设备

单出口虹吸排水系统由顶部水箱、虹吸雨水出口和排水管组成。顶部水箱可以蓄水，并将排水系统与水合供应系统连接起来，可以让人更直观地观察雨水口的流量和水箱内液面的变化。在供水口上方安装隔水层，主要目的是确保水位平稳。并采用普通 TY56 虹吸雨水口连接内径相同的尾水管，尾水管水平端为锥形，连接直径较大的悬浮管（悬浮管设计为无坡度）[3-4]。

悬浮管的末端通过弯头与垂直立管相连，立管的末端设置为自由流出。并使用全透明排水管，确保管道内流动状态的可视化观察。本实验水合系统包括一个长、宽、高分别为1500mm×1500mm×1000 mm的水箱，一根80 mm 的供水管和一台水泵。其中水泵为离心泵，额定流量为86.6 m3/h，额定扬程为24 m，并安装蝶阀，调节供水量以模拟各种降雨情况[5]。且在实验之前，用足够的水排空水泵中的空气，以消除夹带空气的影响。

为进一步研究单出口虹吸排水过程中的动态变化规律，选择3个监测点来记录流量特性和压力的变化。在悬浮液的起点和终点各安装压力监测器。在悬浮管道的首端和末端安装压力变送器。在虹吸形成过程中，当管道满溢时，负压达到最大值。为避免上下游管径突变造成的影响，监测点选择在距离突变点悬浮管径10倍以上的位置[6]。并在监测点 1 和 3 上安装了压力变送器。并采用间接法获得流量实时位移。在供水管上安装流量计测量供水量，并在顶部水箱底部布置液位测试点[7]，通过供水量和液位的变化来反映水的位移变化。为进一步确保精确度和响应时间，使用电磁流量计，并使用Keysight示波器和无纸记录仪同时测量液位、压力和流量变化。

1.2 数值模式

虹吸排水现象作为一种具有代表性的复杂水气两相混合流动过程，在使用数值计算时要注意液气表面的瞬态流场特征。以往的研究通常采用流体体积计算模型来跟踪自由表面，具有较好的拓扑稳定性和局部守恒性。因此，本文利用三维雷诺平均N-S方程、k-e湍流模型和VOF模型来模拟流动状态[8-9]。且进一步研究管道直径、排水量和管道坡度对水力性能4个要素的影响。实验中使用2种管道直径（De110和De90）、3种排水量（3.0L、4.5L和 6.0 L）和3种管道坡度（0.012、0.008 和 0.004）[10]。

1.2.1 控制方程

由于本文只考虑流动问题，虹吸排水系统中三维非稳态流动的质量和动量方程可以用式（1）～式（4）表示。

（1）质量守恒方程。

（1）

（2）动量守恒方程式。

（2）

（3）

（4）

式中，u、v、w分别为x、y、z坐标方向上流速的分量；q为流体密度；l为水动力黏度；p为流体压力；SMx、SMy和SMz为流体源。

1.2.2 数值模型建立

水箱和立管的上平面被视为压力出口，水箱上表面的空气体积分数设为1。水箱顶部底部管道入口设为质量流量入口，水体积分数设为1。且将边界条件设定为粗糙度高度为0.06mm的墙体。为便于数值计算，忽略水箱两侧的水分布，初始化前必须确定初始液位。除上述设置外，并在墙体创建流量监测断面和压力监测点，研究虹吸形成过程中的流量和压力变化。在虹吸形成过程中，考虑点2和3点的流量变化来验证模拟的精度。进口初始流量20 kg/s，悬挂管10 m。根据细化域的网格大小，生成3种类型的网格（粗、中、细网格）。3种网格的最小尺寸分别为0.01m、0.008m和0.006 m，并设定介质网格与细网格之间的最大误差小于5%。而网格尺寸越小，涡旋结构就越完整。因此，中等网格足以满足本研究的目的，网格尺寸设定为0.008 m。

2结果与讨论

2.1 流量状态比较

其中水箱进水流量设置为相对较大的值（20 l/s），与实验记录的虹吸排水系统虹吸过程一致。首先通过尾管进入悬浮管，由于悬浮管压力突然升高，处于波浪状态。在这种状态下，管道内的位移小于流入的水量，水箱内的水位迅速上升至降雨出口的顶部以上，通过降雨出口进入该排水系统的空气减少。因此，尾管首先经历全管流动。水流继续沿着悬浮管的方向发展。由于摩擦阻力的影响，悬浮管内存在明显的跳水现象，然后形成堵塞的气段。虽然水流在管道下游流动时携带了少量的空气，但堵塞的部分依旧存在。直到水流发展到立管顶部，悬浮管中的负压达到较大值，在水流和负压的共同作用下，整个阻塞空气段继续向下游移动。且当阻塞的空气段通过时，内壁上的负压会短暂上升。当悬浮管内的空气耗尽，立管内的空气较小时，可以确定虹吸满管流完全形成。此时，如果取水量大于排量，则系统继续以全流量状态运行。相反，液位下降导致外部空气通过降雨出口进入系统，破坏整个管道流动状态。

在数值计算中观察到的降雨出口周围的流动特性与实验中观察到的相似。当顶部水箱水位高于降雨出口时，仍有少量空气被在上风门边缘附近形成的微小涡流吸入管道系统。当液位相对较低时，大量的空气从空气阻尼器的侧面进入该系统。

2.2 水力跳跃特性

De110和De90的管径、水位高度变化如图1所示。在试验条件下，随着距离的增加，水平主排水沟上的水位高度均在开始时上升，然后下降。峰值位于垂直管道中心30 cm处，表明管道直径和排水量的变化不会影响固定坡度下主排水沟的水力跃升位置。De110和De90管径的水位峰值分别下降7.7%和 15.5%，而排水量则从6.0 L下降到4.5 L和3.0 L。与De110直径下的数值相比，当水量为 6.0、4.5和3.0 L 时，De90 直径下的水位峰值分别下降12.9%、7.9 %和 4.4%，进一步说明在相同水量下，减小管道直径可以有效降低水位高度，但同时也会增加满水程度。图1为De110和De90管径、水位高度以及不同坡度下横。

在图2中，与图1类似，在试验条件下，随着与垂直管道中心距离的增加，各条件下的水位高度均呈先上升后下降。峰值都出现在30 cm处，表明水平总排水管中管道坡度的变化并不影响水力跃升的位置。在坡度相同的情况下，De90 管径处的水位高度峰值比 De110管径处的水位高度峰值高9.6%～12.2%，进一步表明缩小管径会导致饱满度升高。这一结果与图2中的结果一致。当管径固定时，随着水平干渠水力跃层跃段及其后跃段坡度的增大，水位高度和饱满度均略有降低。在管径为De110和De90的情况下，水位峰值分别降低0.3%和 0.7%，而坡度则从0.004增加到0.008和0.012。在管径为De110的情况下，坡度分别为0.004、0.008、0.012，在距横管起点40 cm处的峰值水位与距横管起点30 cm处相比，分别衰减0.3%、1.9%、8.3%。然而，在相同情况下，管道直径为De90时的衰减分别为7.7%、4.7%和8.0%。进一步表明：在直径较大的管道中，坡度越小，水力跃迁的能量耗散越弱，水力跃迁的持续时间越长。根据能量守恒原理，由方程（5）给出了跳跃前后截面的能量方程。

（5）

其中，Z1和Z2 分别表示跃层前和跃层后地段的潜在水头。Z1 和 Z2 之间的差异主要是由水平主排水沟的坡度差异造成的，坡度越大，差异越大。h1和h2表示跃前和跃后地段的压力水头。由于虹吸排水系统属于重力流，其值等于两段水位的高度。V12/2 g 和 V22/2 g 分别为跃进前和跃进后断面的速度水头。△H为两段之间的水头损失，主要包括水力跃升引起的局部水头损失和管道摩擦水头损失。当水流从垂直管道流入水平主排水沟时，几乎所有的势能都转化成了动能。此处出现了急流。在急流段末端，由于管壁的阻力，流速降低，水位上升，形成水力跃升。且排水量、坡度和管道直径对水位高度及其衰减速度有影响。

2.3 水流速度特性

沉积在水平主排水沟中的固体的初始移动速度是由下一次冲洗水流的冲击力造成的。因此，流速通常被用作确定水平干渠固体输送性能的重要依据。表1为不同水量的De110和De90管径下横向干管流速的衰减情况。

由表1可知，对于De110和De90管径，当排水量从6.0 L减少到4.5 L和3.0 L 时，相应的最大流速分别降低20.3%和33.5%，16.8%和39.5%。同时，最大垂直排水管的距离减少32.0%和 50.7%、25.0%和 43.2%。进一步表明，随着排水量的增加，流速呈增加趋势。与 De90 的管道直径相比，De110 的初始流速更大。然而，由于 De110 的衰减速度较快，其流速在后期被 De90 超过。在排水量为 6.0 L的情况下，De110和De90的最大垂直排水管的距离相同。但当排水量从6.0 L减少到4.5 L和3.0 L 时，最大垂直排水管的距离分别增加10.3%和15.3%。

3 结论

为进一步研究单出口虹吸排水过程中的动态变化规律，本文选择3个监测点来记录流量特性和压力的变化。在悬浮液的起点和终点各安装压力监测器。在悬浮管道的首端和末端安装压力变送器。主要结论如下。

（1）由于摩擦阻力的影响，悬浮管内存在明显的跳水现象，然后形成堵塞的气段。虽然水流在管道下游流动时携带了少量的空气，但堵塞的部分依旧存在。直到水流发展到立管顶部，悬浮管中的负压达到较大值，在水流和负压的共同作用下，整个阻塞空气段继续向下游移动。

（2）当顶部水箱水位高于降雨出口时，仍有少量空气被在上风门边缘附近形成的微小涡流吸入管道系统。

（3）在坡度相同的情况下，De90 管径处的水位高度峰值比 De110管径处的水位高度峰值高9.6%～12.2%，进一步表明缩小管径会导致饱满度升高。且在急流段末端，由于管壁的阻力，流速降低，水位上升，形成水力跃升。且排水量、坡度和管道直径对水位高度及其衰减速度有影响。

（4）随着排水量的增加，流速呈增加趋势。与 De90 的管道直径相比，De110 的初始流速更大。然而，由于 De110 的衰减速度较快，其流速在后期被 De90 超过。在排水量为 6.0 L的情况下，De110和De90的最大垂直排水管的距离相同。

参考文献

[1]周国强.赋能绿色建筑服务海绵城市建设凯伦股份推出SDR虹吸排水收集系统[J].中华建设，2024（4）：13.

[2]宋长甫.基于SWMM的车库顶板虹吸排水收集系统排水性能模拟[J].水电能源科学，2024，42（3）：128-132.

[3]袁帅，王君，吴朝峰，等.虹吸排水法处理软土地基的水位与沉降计算模型[J].吉林大学学报（地球科学版），2024，54（1）：208-218.

[4]陈柯星，郎凌嘉，王旭，等.虹吸联合堆载预压排水固结效果模型试验[J].地基处理，2023，5（6）：477-482.

[5]戴啸扬，张莹秋，郑俊，等.细管径虹吸流速计算参数分析与修正计算方法[J].哈尔滨工业大学学报，2023，55（2）：62-69.

[6]杨贵德.下沉式停车场上盖平台临时雨水排放方案分析：以福州市4号线洪塘停车场上盖平台排水方案为例[J].中国建设信息化，2021（22）：59-61.

[7]翁杨，吕庆，孙红月，等.富水区隧道渗漏病害虹吸排水处置方法模型试验研究[J].防灾减灾工程学报，2019，39（6）：947-953.

[8]杨志，焦建军，张士兴，等.种植屋面虹吸排水收集系统在海绵城市建设领域的应用[J].建筑技术，2019，50（8）：938-939.

[9]吴显，汪磊，孙红月.斜孔虹吸排水管内泥沙起动流速方程的推导及应用[J].自然灾害学报，2018，27（5）：54-62.

[10]杨光忠.试谈浅层富水土质滑坡虹吸排水治理建议：以贵州凯里几个滑坡隐患为例[J].贵州地质，2018，35（2）：158-162.