增大排水立管的通水能力和防止水封破坏是建筑内部排水系统中两个重要的问题, 这两个重要的问题都与排水立管内的气压有关^[1]。排水横支管与排水立管连接处三通的形状决定了水流进入立管后的流态, 水流的流态影响着排水立管内的气压变化, 因此改变三通的结构是稳定立管内气压、增大通水能力、避免卫生器具水封破坏的重要措施之一。

　　 硬聚氯乙烯 (PVC-U) 塑料排水管因其具有阻力小、耐腐蚀、质量小、安装方便等优点, 在建筑排水管道施工中得以广泛使用。PVC-U塑料排水管道配套的三通管件有不同的结构形式, 如90°顺水三通、偏心三通等。90°顺水三通因造价低, 在工程中使用为最普遍, 但是水流从横支管经顺水三通垂直进入排水立管内, 在三通内形成比较大的水舌充塞立管断面, 阻碍立管顶部对立管内的补气, 造成立管内气压波动较大^[2]。偏心三通的出现将来自横支管的水流由垂直进入改为切向进入, 水流沿立管管壁旋转下落, 当水流较小时, 管道中心形成空气芯保持气流畅通, 稳定了管内气压^[3]。但是, 由于普通偏心三通内部空间有限, 当排水流量较大时, 水流将几乎充满三通, 充塞立管断面, 无法在立管内形成通畅的空气芯, 失去了稳定立管内气压的作用。

　　 普通偏心三通的成功之处在于将排水水流形成旋流, 局限之处在于内部空间有限。为此, 发扬普通偏心三通的优点, 改进它的不足之处, 是提高单立管排水系统通水能力的一个重要思路。

　　 水流在偏心三通内的运动方式是复杂的三维旋转运动。流体的旋转运动简称为涡流, 根据流体在旋转运动时质点有无自转的现象, 将其分为自由运动和强制涡运动两大类。流体质点不围绕自身瞬时轴线旋转的运动叫自由涡运动, 而流体质点围绕自身瞬时轴线旋转的运动叫强制涡运动。自由涡只有在理想流体中才能实现, 具有黏性的实际流体不会形成真正的自由涡^[4]。建筑排水系统中的污废水是有黏性的, 所以污废水在偏心三通内的旋转运动属于强制涡运动。

　　 如果在柱坐标系内表达偏心三通内的水流速度u, 可以分解为径向速度u_r、切向速度u_θ和轴向速度u_z (见图1) , 速度之间的关系为u²=u_r²+u_θ²+u_z²。其中切向速度产生的离心力保证水流在三通内附壁旋转下落, 但是切向速度过大又会造成水流过急, 不利于立管内形成附壁螺旋流。所以, 偏心三通侧面管体的设计尤为重要, 既要保证对水流构成旋流约束, 又要避免切向速度过大。沿切向输入的流体在不计损失的情况下, 其旋转动量矩将保持不变^[5], 即u_θr=常数。因此, 可通过增大回转半径r, 适当降低切向速度u_θ。

　　 根据上述理论, 从偏心三通的侧面管体和竖向管体入手, 提高侧面管体对水流的约束能力以及与竖向管体的切合度, 同时扩大三通竖直方向的直径, 增大水流的回转半径r, 以获得水流在偏心三通内具有较好的切向速度。为此在普通偏心三通的基础上开发的大容积偏心三通 (见图2) 具有如下结构特点:

　　 (1) 侧面管体底部设计成u型导流槽, 同时向右偏转45°, 再斜向下同竖向管体相切结合;

　　 (2) 竖向管体由圆柱形和锥形两部分构成, 圆柱形管体直径扩大到170 mm, 锥形管体下端口径逐渐恢复至110mm。

　　 (3) 竖向管体入口内壁具有若干条螺旋肋以增强上层来水的旋流效果。

　　 (4) 锥形管体内壁具有若干条螺旋肋以增强水流落入立管后的旋流效果。

　　 由于大容积偏心三通是在普通偏心三通的基础上开发出来的, 因此选择普通偏心三通和大容积偏心三通作为测试对象, 以对比分析大容积偏心三通对立管内气压波动的影响。

　　 排水系统气压波动测试装置 (见图3) 由储水箱、给排水管道系统及测试仪器等组成。水箱用于模拟卫生器具, 出水管上装一个阀门用于调节排水量。给排水管道系统包含排水横支管、排水立管、排出管以及管道连接需要的三通和弯头等管件。三通的上部接0.5m长的dn110PVC-U塑料管作为通气管。排水立管采用内壁带有6条螺旋肋的dn110PVC-U塑料管, 排水立管底部采用2个45°弯头与dn110PVC-U塑料排出管连接。排水立管上设有5个测点, 测点之间相距0.5m, 每个测点上接有1根管径50mm、长度0.5m、外端封闭的横管, 在横管上距外端5cm处安装气压传感器。气压传感器通过线路连接到数据采集卡, 数据采集卡通过USB接口和电脑相连, 电脑上安装的记录示波器软件可以读取测压点的气压值^[6]。

　　 本试验将排水量分别控制在1.5L/s和6.5L/s时, 排水立管内各测点的气压极值见表1和表2。由于普通偏心三通和大容积偏心三通的竖直方向长度不一样, 所以排水立管上的同一测点到排水横支管的距离不一样 (图3中h₁因三通不同而不同) 。不同三通连接时, 立管内气压极值对比曲线见图4。

　　 对比表1和表2, 观察图4a和图4b, 可以看出大容积偏心三通与普通偏心三通相比, 在流量1.5L/s时, 正压极值 (气压极大值) 降低不明显, 测点3降低了22%, 测点5降低了23%, 其他测点相差不足10%;负压极值 (气压极小值) 降低较为明显, 其中测点2降低了49%, 测点5降低了63%, 其他测点也降低了近30%。在流量6.5L/s时, 正压极值在测点2降低了31%, 测点4降低了32%, 其他测点相差未超过10%;负压最大值由测点2下移到测点4, 负压极值在测点1降低了19%, 测点2降低59%, 测点3降低了34%, 测点4和测点5略有增高但不足10%。

　　 综上所述, 大容积偏心三通由于侧面管体对水流的良好约束以及竖向管体容积的扩大, 使得水流在立管旋流效果改善, 无论在较小流量 (1.5L/s) 还是在较大流量时 (6.5L/s) , 都能形成上下通畅的空气芯, 顶部通气管对排水立管的补气效果明显改善, 稳定了排水立管内的气压波动, 特别是负压极值的降低最为明显。

　　 (1) 大容积偏心三通与普通偏心三通相比, 排水流量1.5L/s时在排水立管内的同一测点最多可将正压极值降低23%, 负压极值降低63%;排水流量6.5L/s时同一测点最多可将正压极值降低32%, 负压极值降低59%。负压极值的降低比正压极值的降低更为明显。

　　 (2) 大容积偏心三通的应用, 能降低单立管排水系统的气压波动, 提高单立管排水系统的通水能力, 与设立专门通气管系统相比, 可以节约管材、加快施工进度、降低工程造价。

　　 (3) 对于低层住宅, 由于卫生器具同时排水的几率比较小, 建议仍使用普通偏心三通;但是, 对于卫生器具布置较多的教学楼、宿舍楼等同时排水几率大的公共建筑及高层建筑建议使用大容积偏心三通。