新构建的公式,能够解释本文第1节中列出的全部试验现象或规律。

　　 式(9)和式(10)中,立管的最大通水能力和下列因素相关:

　　 (1)立管的通水能力受立管的管径d_j影响。立管的管径增大,通水能力增加,大管径比小管径的通水能力大。这和本文1.1节的试验结果吻合。

　　 (2)单立管的通水能力受水舌阻力系数K_i影响。水舌阻力系数减小,立管的通水能力增加。根据本文3.4节可知:(1)立管上45°三通比90°顺水三通的水舌气流通路大、阻力系数K_i小,当支立管接头采用45°三通时,立管的通水能力将比采用90°顺水三通时大。这和本文1.3节的试验结果吻合。(2)立管上苏维托或旋流器接头比三通的水舌气流通路大、阻力系数K_i小,当支立管接头采用苏维托或旋流器时,立管的通水能力比采用普通三通接头时大。这和本文1.7节中的试验结果吻合。

　　 (3)立管的通水能力受管壁粗糙高度K_p影响,是K_p的增函数。K_p表征立管内对水流的阻力,当立管内壁的粗糙高度增加或者阻力增加时,立管的通水能力增加。(1)塑料立管,其内壁光滑,管壁粗糙高度K_p比铸铁立管的小,故通水能力比铸铁管的小。这和本文1.6节中的试验结果相吻合;(2)内壁螺旋立管,凸出管内壁的螺纹线对水流产生阻力,减小水流垂直向下的速度,起到了增大管壁粗糙高度一样的效果,则立管的通水能力比光壁管的大。这和本文1.5节中的试验结果相吻合。

　　 (4)立管的通水能力受排水系统允许的压力波动(绝对)值P_m影响。允许的压力波动值大,则立管的通水能力增加,反之则小。这和本文1.8节中的试验结果相吻合。改善水封装置的性能,提高其抵抗压力波动的数值,有助于提高立管的通水能力。

　　 (5)立管通气排水系统中立管的通水能力受通气立管管径d的影响,当管径d增大时,立管的通水能力增加。这和本文1.4节中的试验结果相吻合。

　　 (6)立管通气排水系统中,气流在通气立管中流动,不穿越排水立管中的水舌,其阻力系数为 ,小于普通单立管系统中的水舌阻力系数 ,故普通单立管排水加设通气立管后,立管的通水能力会增大。这和本文1.2节中的试验现象相吻合。

　　 根据本课题建立的立管通水能力模型式(9)可知,加大立管对水流的阻力(K_p表征)、减小水流下落速度会提高而不是降低立管的通水能力。依此可以推断,特殊单立管系统立管通水能力的大幅提高,除了削弱水舌的因素外,还应该有水流下落的因素发挥作用。水流下落速度应该有所减小,这有助于提高立管的通水能力。

　　 特殊单立管系统中,苏维托接头的乙字弯形状,对下落水流产生阻力,导致水流速度减小;旋流器接头使下落的水流沿立管内壁做螺旋运动,导致水流竖直向下的分速度即下落速度减小。

　　 本文3.2节论述到,立管排水时空气从伸顶通气管口进入立管。在相同的排水流量和立管管径条件下,水流速度越大,则空气向下的流速也越大,进气流量越大;水流速度越小,空气向下的流速则越小,进气流量也越小;水流速度减小为零时,则进气流速和流量也变为零。

　　 由于特殊接头使立管中水流下落速度减小,因此特殊单立管系统的通气量将会减小,而不是像多数人认为的通气量得到加强,尽管特殊接头扩大了水舌处的气流通路、削弱了水舌对气流的阻力、利于气流的向下流动。

　　 以立管通水能力模型式(9)为指导,课题组分别在东莞万科排水试验塔和山西泫式排水试验塔进行了平行试验,以观察特殊单立管系统的进气量。

　　 试验在国家住宅工程中心———万科建研中心超高层等比例试验塔上进行。采用3种系统进行试验做比照,部分试验管道系统示意见图8。图8中,a为普通单立管系统,排水立管、横支管、横干管均采用DN110硬聚氯乙烯(PVC-U)排水管,排水横支管与立管之间采用顺水三通连接,排水立管与横干管之间采用2个45°弯头连接。b为旋流器接头单立管系统,排水横支管与立管之间采用旋流器连接,其余构造与普通单立管相同。c为螺旋管单立管系统,立管采用带12根旋肋的DN110螺旋管,旋肋平均高度约为3.54mm,其余构造和旋流器接头单立管系统相同。

　　 试验时除排水层外,每层的排水横支管上均安装美国GE DruckPTX 610(±10kPa,PTX)双向式压力传感器,测量范围为±10kPa,测量精度为±0.08%,设置在距立管中心500 mm的排水横支管上部,压力传感器采样周期为20ms,采集数据并输送至服务器以检测压力波动。定流量排水装置包括1台可远程自动控制的电动调节阀和1台高精度电磁流量计,测量范围为0.3~12m/s,测量精度为±0.5%,安装在系统32、33层。每层最大排水量为2.5L/s,排水量不足时由下一层排水。

　　 试验中所采用的旋流器为某国产品牌。旋流器由上下两部分构成,上部为扩容段,内部无导流叶片,仅将横支管来流沿切线方向引入立管;下部为漏门状,内部有6个导流叶片,起到加强旋流的作用。

　　 在定流量排水条件下分别对普通单立管系统、旋流器接头单立管系统和螺旋管单立管系统进行系统最大负压和管顶通气流量的测试。

　　 试验步骤为:系统气密性检查→定流量排水→压力/进气量测试。测试结果见表4。

　　 试验装置:在泫氏排水试验塔进行,试验楼层18层,立管高度56.5m。

　　 被测立管系统配置:

　　 (1)普通单立管排水系统:DN100铸铁排水管、DN100×90°顺水三通、底部3D变径弯头、DN150排出管、铸铁球形伸顶通气帽;

　　 (2)加强旋流器特殊单立管排水系统:DN100铸铁排水管、DN100GB型(原GY型)加强旋流器、底部3D变径弯头、DN150排出管、铸铁球形伸顶通气帽。

　　 排水流量测试方法:依据《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》(CECS 336—2013),采用定常流法。

　　 通气量测试方法:采用皮托管和压力风速风量仪,测量各排水流量下伸顶通气管内的风速和风量。

　　 通气量测试装置及安装位置:

　　 (1)伸顶通气口设置在19层室内,以排除外界风力对测试结果的影响。

　　 (2)通气量测试装置:采用K0603智能压力风速风量仪,配以L型皮托管进行测量。

　　 (3)安装位置:皮托管安装在伸顶通气管透气帽以下1m的位置,见图9。

　　 测试仪器参数设置:

　　 (1)L型皮托管系数范围为0.990~1.010,本试验选择L型皮托管系数为1。

　　 (2)通气管内径:100mm。

　　 (3)通气管截面积:0.007 85m²。

　　 (4)空气密度:按测试时伸顶通气口层室温确定。

　　 普通单立管系统和特殊单立管系统的通气流量测试结果见图10a,伸顶通气管内气流速度的测试结果见图10b。

　　 被测试的系统中,在±400Pa范围内,90°顺水三通单立管系统的最大排水能力为4L/s,加强旋流器单立管系统的最大排水能力为11L/s。

　　 相同排水流量下,90°顺水三通单立管伸顶通气管内平均进气量比加强旋流器单立管系统大28.66%。立管排水流量4.5L/s时,90°顺水三通单立管伸顶通气管内进气量比加强旋流器单立管系统高45%。

　　 相同排水流量下,90°顺水三通单立管伸顶通气管内平均气流速度比加强旋流器单立管系统大28.22%。立管排水流量4.5L/s时,90°顺水三通单立管伸顶通气管内气流速度比加强旋流器单立管系统高44.7%。

　　 试验中配置的特殊单立管系统,其通水能力明显大于普通单立管系统,具有代表性。比如在万科塔的试验中,旋流器接头特殊单立管的通水能力约为普通单立管的1.5倍,加内螺旋管后通水能力约为普通单立管的3倍以上;山西泫式塔的试验中,加强型旋流器特殊单立管的通水能力接近普通单立管的3倍。

　　 试验结果表明,在特殊单立管和普通单立管的管径相同、排水流量相同时,特殊单立管内随水流向下的空气流速、空气流量明显小于普通单立管内的流速和流量。

　　 从万科试验塔的试验结果表4看出,对于相同的立管排水流量,普通单立管系统的进气量最大,螺旋管单立管系统的进气量最小,旋流器单立管系统的进气量居中。例如,排水量为2L/s时,普通单立管系统的进气量为60L/s,螺旋管单立管系统的进气量24.6L/s,旋流器单立管系统的进气量51.8L/s;排水量为3L/s时,普通单立管系统的进气量为76L/s,螺旋管单立管系统的进气量28.0L/s,旋流器单立管系统的进气量43.9L/s。

　　 在山西泫式排水试验塔所做的试验结果(见图10)也表明,特殊单立管排水的进气量明显小于普通单立管的进气量。例如立管排水流量4.5L/s时,90°顺水三通单立管伸顶通气管内进气量比加强旋流器单立管系统高45%,气流速度比加强旋流器单立管系统高44.7%。

　　 试验中特殊单立管系统中的气流速度和气流量低于普通单立管系统,证明了特殊单立管系统中的水流下落速度小于普通单立管系统。根据新构建的立管通水能力模型,减小立管中的水流下落速度,有助于提高立管通水能力。特殊单立管系统之所以有较高的立管通水能力,除了水舌被削弱因素外,还有水流下落速度被减小的因素。削弱水舌减小其对气流的阻力、增加水流下落阻力减小下落速度,这两个因素的共同作用使得特殊单立管的通水能力大幅提高。

　　 人们通常误以为加大通气量会提高立管的通水能力,而新构建的立管通水能力模型和排水塔试验结果,揭示出立管通水能力的提高,并未伴随有通气量的增大,甚至通气量还有所减小。

　　 根据新构建的立管通水能力模型,排水系统加设通气管道,并不是要加大通气量,而是减小气流的阻力,通过比较式(9)、式(10)可以看出这一点。在通气排水系统的立管通水能力公式(10)中,气流阻力系数 明显小于普通单立管系统立管通d水能力公式(9)中的气流(水舌)阻力系数 。

　　 本课题通过调研、资料分析、理论研究及试验研究的技术路线和方法,建立起生活排水系统立管最大通水能力的数学模型,并试验研究了特殊单立管系统提高通水能力的关键因素,得出了非常重要的研究成果。

　　 (1)现行的生活排水立管的通水能力理论无法解释近年来排水试验塔上发生的试验现象和国家设计规范中的参数变化现象。新构建的生活排水系统立管通水能力模型可较好地解释这些现象,揭示了通水能力的机理。

　　 (2)新构建的生活排水立管的最大通水能力数学模型如下,现行的立管最大通水能力模型应由新的模型取代。

　　 a.单立管排水系统的数学模型为式(9):

　　 b.立管通气排水系统的数学模型为式(10):

　　 (3)根据新构建的数学模型,可得:

　　 a.立管上连接横支管的接头部件构造影响立管的通水能力。削弱水舌、减小其阻力系数K_i的接头部件可提高立管的通水能力,如减小三通角度、旋流器及苏维托部件等。

　　 b.立管的构造特性影响立管的通水能力。对水流下落阻力大或内壁粗糙高度K_P大的立管通水能力大,如铸铁立管的通水能力大于塑料立管,内螺旋立管的通水能力大于光壁管等。

　　 c.立管内允许的最大压力绝对值P_m影响立管的通水能力。允许压力值越大则立管的通水能力越大,反之则越小。改善水封装置抵抗水封破坏的性能,有助于提高立管的通水能力。

　　 d.通气立管的构造影响排水立管的通水能力。通气管管径大,则排水立管的通水能力大。

　　 (4)特殊单立管系统中,通气量并没有因水舌削弱、气流阻力减小而增大,而是伴随立管中水流的下落速度降低而减小。降低水流下落速度和削弱水舌的共同作用,使得特殊单立管的最大通水能力大幅提升。

　　 本课题构建的立管通水能力模型,解释了试验中出现的复杂现象,并能揭示各相关影响因素的作用机理,这对于提升我国建筑排水系统的理论水平,提升我国建筑排水系统试验的科学性和提升我国建筑排水系统的工程技术水平都具有非常重要的意义。