水管的屋面排水系統(tǒng)分析利用非恒定流理論(水專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文翻譯譯文)

1、 建筑與環(huán)境 36 (2001) 939948 利用非恒定流理論分析虹吸式屋面排水系統(tǒng)S. Arthur , J.A. Swa*eld英國(guó)EH14-4AS蘇格蘭愛(ài)丁堡，赫瑞瓦特大學(xué)建筑工程和測(cè)量部門(mén)2000年4月17日收到 ;； 2000年4月17審核;；2000年6月12日發(fā)表摘要在過(guò)去的三年里，一項(xiàng)英國(guó)協(xié)會(huì)研究項(xiàng)目已經(jīng)在進(jìn)行中，即赫瑞瓦特大學(xué)研究的虹吸式屋面雨水系統(tǒng)。本文旨在介紹迄今為止的相關(guān)理論。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)字指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)短描述。記錄發(fā)生在理想化系統(tǒng)的啟動(dòng)狀況。本文描述了虹吸設(shè)備試驗(yàn)的程序，并且試驗(yàn)結(jié)果用圖表分析。在某些細(xì)節(jié)上，使用數(shù)字模型的框架對(duì)周?chē)乃W(xué)特性進(jìn)行描述。關(guān)于虹吸式屋面

2、排水系統(tǒng)的運(yùn)行特征將在文章中做整體描述。關(guān)鍵詞：屋面排水 虹吸式屋面排水系統(tǒng) 特征方法1、背景虹吸式屋面排水系統(tǒng)已經(jīng)存在大約30年了。在這段時(shí)間，由于虹吸式排水系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)和好處，建筑業(yè)漸漸的青睞虹吸排水系統(tǒng)。虹吸式排水系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)主要是因?yàn)樗梢栽谪?fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行。但是，一些期望的優(yōu)勢(shì)僅僅只能在設(shè)計(jì)工況出現(xiàn) 例如 ，一場(chǎng)典型暴雨的重現(xiàn)期超過(guò)30年。當(dāng)設(shè)定了工作程序，眾所周知絕大多數(shù)勢(shì)不可擋的降雨事件，就算是虹吸系統(tǒng)的排水量都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況。再加上虹吸式排水系統(tǒng)存在很多運(yùn)行故障和難題，這就使得很多科研人員堅(jiān)信，在將來(lái)，虹吸式排水系統(tǒng)是個(gè)值得研究的課題。 2、研究目的與對(duì)象虹吸式雨水排水系統(tǒng)取

3、決于在市政雨水管網(wǎng)與屋面雨水排除管道之間的滿(mǎn)管流動(dòng)狀態(tài)的形成。使用封閉的管道代替?zhèn)鹘y(tǒng)多相性雨水管，這為工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多好處，實(shí)踐證明，正是這種變革，虹吸式排水系統(tǒng)廣泛的運(yùn)用到飛機(jī)場(chǎng)，大型倉(cāng)庫(kù)以及豪華的辦公樓中。設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低，無(wú)法形成虹吸狀態(tài)，或者達(dá)不到有效流量（淹沒(méi)狀態(tài)）。瞬時(shí)負(fù)壓力的積累會(huì)導(dǎo)致管壁破裂【1】。在英國(guó)，虹吸式排水系統(tǒng)使用的10年時(shí)間里，并沒(méi)有公認(rèn)的設(shè)計(jì)規(guī)范。虹吸式系統(tǒng)的建立，總是以假設(shè)夾帶氣體的瞬時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)得到的計(jì)算數(shù)據(jù)為依據(jù)。本文的目的在于建立一種非恒定流模型，這種模型可以通過(guò)暴雨降水過(guò)程曲線模擬虹吸式排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。這樣就可以使得雨水在雨水排水系

4、統(tǒng)中的流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到與其標(biāo)準(zhǔn)。從最開(kāi)始的地表徑流開(kāi)始暴雨的發(fā)展，通過(guò)兩個(gè)階段的流動(dòng)，空氣不斷溶解到水中，直到達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行需要的滿(mǎn)管流形成。項(xiàng)目的主要啟動(dòng)過(guò)程如下：1） 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，啟動(dòng)過(guò)程中，觀察虹吸管系統(tǒng)中瞬時(shí)壓力的積累和擴(kuò)散。2） 建立靜態(tài)的與流動(dòng)的邊界條件，以數(shù)學(xué)特征為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型。3） 開(kāi)發(fā)一種以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以為工程設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)。3. 實(shí)驗(yàn)描述 研究項(xiàng)目的建立主要依賴(lài)于工業(yè)連接配件的開(kāi)發(fā)，以及在郝瑞瓦特建設(shè)的試驗(yàn)設(shè)備測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果。并且以此來(lái)建立最初的數(shù)學(xué)模型。曾經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它證實(shí)了并十分完美的與在實(shí)驗(yàn)室取得的數(shù)值相協(xié)調(diào)。從最初的系

5、統(tǒng)安裝，試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及在虹吸雨水工業(yè)得到的材料。和研究者建立的數(shù)學(xué)模型一樣，密閉連接設(shè)備的應(yīng)用也在很大程度上促進(jìn)了該項(xiàng)目的發(fā)展。4. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)通常，在任何既定的工程中，虹吸式屋面排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)壓力，這種穩(wěn)壓與選定的“設(shè)計(jì)暴雨”有關(guān)。即通常所說(shuō)的穩(wěn)定的暴雨強(qiáng)度（在英國(guó)這與BS6367【2】一致）。在設(shè)計(jì)階段，暴雨強(qiáng)度的選擇以工程的地理位置為依據(jù)，通過(guò)平衡風(fēng)險(xiǎn)，成本以及額外流量承載能力【1，3】進(jìn)行分析。然而，可以看出這種方法在安裝后將導(dǎo)致每次暴雨出現(xiàn)時(shí)總有一至兩個(gè)非正常的狀態(tài)發(fā)生。1）暴雨強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度理論上，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度一旦選定，這種強(qiáng)度的暴雨總會(huì)發(fā)生，并且會(huì)導(dǎo)致一定程

6、度的洪水。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的系統(tǒng)要確保與任何直接進(jìn)入其承受區(qū)域的流量，或者任何可以承受的破壞程度相一致。 2）暴雨強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)所有系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，大多數(shù)可能遭遇的暴雨分為以下情況。當(dāng)遇到低強(qiáng)度的降水時(shí)，系統(tǒng)就成為了傳統(tǒng)排水系統(tǒng)。但是，隨著降雨強(qiáng)度的增大，系統(tǒng)中局部非恒定壓力狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生。試驗(yàn)表明，這種負(fù)壓力的變化，將導(dǎo)致大量的空氣進(jìn)入系統(tǒng)中。在某些環(huán)境狀態(tài)下，進(jìn)入系統(tǒng)的水量會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷。流體存在不穩(wěn)定的自然流動(dòng)狀態(tài)，這使得系統(tǒng)產(chǎn)生噪音、震動(dòng)。壓力變化也十分得頻繁，當(dāng)系統(tǒng)接納的水量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)流通能力時(shí)，這些特征已數(shù)據(jù)的形式在圖2.3中表示出來(lái) Fig. 1. 原理圖的一個(gè)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)說(shuō)明了主要的維度

7、Fig. 2. 環(huán)境壓力系統(tǒng)中42%的穩(wěn)定地溝流動(dòng)率的測(cè)量能力系統(tǒng)在圖1演示。此圖說(shuō)明,在特定的條件下,循環(huán)壓力可以建立該系統(tǒng)。循環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的相關(guān)流動(dòng)率的頻率，與水平的和垂直的管道長(zhǎng)度。5. 最新設(shè)計(jì)實(shí)踐最近，虹吸式屋面排水系統(tǒng)按照給定的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)暴雨可以使系統(tǒng)在短時(shí)間里充滿(mǎn)水。并且能夠快速的啟動(dòng)虹吸排水系統(tǒng)。這就意味著，使用穩(wěn)定流理論進(jìn)行虹吸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加的簡(jiǎn)單。在幾乎所有的虹吸排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定流能量守恒定律都得到了廣泛的應(yīng)用，并將其作為設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。系統(tǒng)中，任何兩點(diǎn)X,Y之間的壓降可以通過(guò)下式計(jì)算：兩點(diǎn)間壓降HXY ,由管壁的水力阻力損失和局部阻力損失組成。在研究過(guò)

8、程中，上面列出的計(jì)算方法經(jīng)常用來(lái)估算流通能力，以及虹吸試驗(yàn)系統(tǒng)中各部分的壓力分配情況。圖3。環(huán)境壓力系統(tǒng)中81%的穩(wěn)定地溝流動(dòng)率測(cè)量系統(tǒng)的能力。此圖說(shuō)明了即使在流動(dòng)到系統(tǒng)已接近設(shè)計(jì)條件環(huán)境條件下仍然不穩(wěn)定。Table 1在赫瑞瓦特大學(xué)屋頂?shù)乃茉囼?yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算條件的比較這些結(jié)果反映了的是那些在沃靈福德發(fā)現(xiàn)成果的研究者 (3)。當(dāng)回顧這些結(jié)果,應(yīng)該指出的是,這些參考液壓條件設(shè)計(jì)的結(jié)果，它的流動(dòng)利率低于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，因此是無(wú)效的。在系統(tǒng)壓力的計(jì)算中有許多重要的方法，這些方法依靠流體通過(guò)管道的摩擦阻力和靜高的變化進(jìn)行計(jì)算。這些計(jì)算結(jié)果之間存在一定的偏差，是由于空氣容量的變化，以及跨越管道時(shí)水

9、頭損失不精確估算引起的。6. 試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究的主要目的在于虹吸式屋面排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)條件下是如何啟動(dòng)的。在描述啟動(dòng)過(guò)程之前，必不可少得要定義虹吸式屋面排水系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)組成。一個(gè)基本的、理想的虹吸屋面排水系統(tǒng)可以由三部分組成：1）虹吸雨水斗這些單元布置在樓頂或者天溝處，并允許暴雨進(jìn)入系統(tǒng)，即雨水收集裝置，它是一個(gè)反向帶隔板截圓錐體，并與天溝靠近。設(shè)置隔板的主要目的是阻止空氣進(jìn)入系統(tǒng)中。2）水平管網(wǎng)水平管道設(shè)置在虹吸雨水斗和排水立管之間，用來(lái)傳輸流體。一個(gè)典型的虹吸系統(tǒng)，其水平管網(wǎng)中流體的狀態(tài)受到諸多因素的影響，例如彎管等。3）排水立管.對(duì)以個(gè)虹吸式屋面排水系統(tǒng)而言，從功能上講，以下兩端排水立管

10、必須設(shè)置：第一段：短管（0.20.5M），連接虹吸雨水斗和水平管網(wǎng)；第二段：彎管，連接水平與排水立管。6.1試驗(yàn)設(shè)備的啟動(dòng)理解虹吸試驗(yàn)設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程具有十分重要的意義。不論什么原因，如果一個(gè)系統(tǒng)不能夠在設(shè)計(jì)流量下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，它就不符合設(shè)計(jì)規(guī)范。在本篇所描述的啟動(dòng)過(guò)程，考慮了一種水力學(xué)狀態(tài)，在流入屋頂天溝的水量不斷上升到與試驗(yàn)設(shè)備的流通能力持平時(shí)，這種狀態(tài)在虹吸系統(tǒng)中普遍的存在（例如在設(shè)計(jì)狀態(tài)下）。為了分析試驗(yàn)設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程，沿著水平管網(wǎng)設(shè)置了許多壓力觀測(cè)裝置，檢測(cè)頻率在101000HZ之間。水流在天溝中的深度通過(guò)水壓傳感器檢測(cè)。另外，因?yàn)檎麄€(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)是透明的，可以通過(guò)目測(cè)，或者在靜態(tài)攝影機(jī)，高象

11、素?cái)?shù)碼攝像機(jī)的輔助下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觀察。根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，虹吸系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程可以分成以下步驟：1）最初的天溝徑流在系統(tǒng)啟動(dòng)的最初，天溝內(nèi)水流不斷增多，虹吸系統(tǒng)中的壓力與外界環(huán)境中的壓力相等（加上水流深度），在豎向管網(wǎng)中的水流是環(huán)狀的，在水平管網(wǎng)中水流處于亞臨界狀態(tài)。隨著屋頂雨水斗上液面上升，水平管網(wǎng)徑流開(kāi)始形成，在管道的下游可以看到跌水（如圖4A）彎管1的重要性如圖1所示，排水立管通過(guò)彎管1與水平管網(wǎng)連接。試驗(yàn)結(jié)果表明，如果僅僅由排水立管連接于虹吸雨水斗（系統(tǒng)中沒(méi)有水平管）。那么，水力損失會(huì)變小，以至于在排水立管部分形成滿(mǎn)管流動(dòng)。 跌水隨著流體漸漸的增加，跌水逐漸向水平管道下游移動(dòng)，同時(shí)，下游跌水深度

12、不斷增大，最后，水流充滿(mǎn)管徑，在此時(shí)水平管道的末端形成滿(mǎn)管流。在連接處，氣體夾在跌水區(qū)和水平管道上游中間。滿(mǎn)流狀態(tài)很快傳播到下游。排水立管當(dāng)滿(mǎn)管流狀態(tài)移動(dòng)到彎管的時(shí)候，排水立管內(nèi)開(kāi)始形成滿(mǎn)管流。隨滿(mǎn)管流在排水立管中的移動(dòng)，大量的空氣從排水立管中溢出，使得上游管段中形成負(fù)氣壓（管道中壓力小于大氣氣壓）。這促使進(jìn)入虹吸系統(tǒng)的流體迅速增加，這些增加的水量造成滿(mǎn)管流發(fā)展到水平管道的末端。氣體微團(tuán)沿著水平管道移動(dòng)。當(dāng)這些氣體微團(tuán)經(jīng)過(guò)彎管2進(jìn)入立管（圖4），它將促使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生局部負(fù)壓。然而，當(dāng)氣體完全排除立管時(shí)，系統(tǒng)完全啟動(dòng)而不是氣體進(jìn)入管道（通常流體中含氣量小于5）。如圖5所示數(shù)據(jù)，他們來(lái)源于一個(gè)典型

13、的試驗(yàn)設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程。每一個(gè)步驟都列舉在標(biāo)2中。圖4在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中被困氣體的運(yùn)動(dòng)。(此圖假設(shè)屋頂排水完全淹沒(méi)和流動(dòng)體中不含空氣。)7. 虹吸系統(tǒng)中的氣體在虹吸式屋面排水系統(tǒng)中，氣體進(jìn)入系統(tǒng)主要有三種方式，列舉如下：1）在降雨開(kāi)始前已經(jīng)存在于虹吸系統(tǒng)中的空氣在沒(méi)有降水進(jìn)入虹吸系統(tǒng)之前，管道中充滿(mǎn)的幾乎全部是空氣。設(shè)計(jì)出色的虹吸系統(tǒng)允許空氣通過(guò)屋頂雨水斗，或者節(jié)點(diǎn)排除。圖5。啟動(dòng)的環(huán)境壓力系統(tǒng)?？梢钥吹?系統(tǒng)中的流體從自由表面到別處流動(dòng)很快。此圖清楚地表明,重復(fù)壓在下游系統(tǒng)尾部中形成,然后向上游傳播。這是表示重壓觀察在下游和上游壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間滯后。Table 2區(qū)域描述,如劃分為圖52） 降水中

14、溶解的氣體由于降水與天溝中水流的自然波動(dòng)和流淌，空氣不斷溶解在水流里，最后進(jìn)入虹吸系統(tǒng)。由于降水與天溝中水流的自然波動(dòng)和流淌，空氣不斷溶解在水流里，最后進(jìn)入虹吸系統(tǒng)。3） 通過(guò)虹吸排水管直接進(jìn)入虹吸系統(tǒng)的氣體每一個(gè)虹吸系統(tǒng)的雨水斗都具有特殊的蝸旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)巨幾何學(xué)的原理，阻止氣體進(jìn)入虹吸系統(tǒng)。然而，一些氣體可以通過(guò)小的漩渦進(jìn)入系統(tǒng)。這種形式的氣體會(huì)給系統(tǒng)制造出很多運(yùn)行故障。如果有大量的氣體進(jìn)入了系統(tǒng)，當(dāng)他們進(jìn)入立管后可以造成瞬時(shí)負(fù)壓很快就會(huì)傳送到整個(gè)系統(tǒng)。7.1. 氣體進(jìn)入系統(tǒng)水平的測(cè)算為評(píng)估氣體通過(guò)屋頂雨水斗或者溶解在雨水中直接進(jìn)入系統(tǒng)的量，如圖6所示，進(jìn)行試驗(yàn)分析。利用數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行測(cè)

15、算，這樣使每個(gè)時(shí)刻氣體進(jìn)入系統(tǒng)的情況得到準(zhǔn)確的計(jì)量。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入的氣體通常視為溶解在雨水中的。試驗(yàn)設(shè)備在不同的流量和淹沒(méi)水深下進(jìn)行。圖7中的數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)完全啟動(dòng)后，天溝徑流率為88時(shí)的系統(tǒng)流通能力統(tǒng)計(jì)。隨著徑流達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流通能力，額外的徑流流入系統(tǒng)。使得系統(tǒng)可以在完全啟動(dòng)壓力下運(yùn)行。平均壓力為2.37MH2O（標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.2MH2O,0.74%）.但是如果沒(méi)有足夠的徑流維持這種狀態(tài)，系統(tǒng)的壓力會(huì)降到不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)2.37 MH2O（標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.092 MH2O，3.88）。圖6。用來(lái)測(cè)量的空氣進(jìn)入試驗(yàn)裝置機(jī)制。進(jìn)氣口是檢測(cè)、測(cè)量空氣流動(dòng)率在100赫茲。圖7。在10.4 l /s時(shí)，

16、壓力和空氣流動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。降低了23。視圖上的數(shù)據(jù)顯示通過(guò)屋頂虹吸雨水斗直接進(jìn)入系統(tǒng)的空氣，平均速度為0.027L/S。這個(gè)數(shù)據(jù)在彎管2處會(huì)增加到0.036L/S。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際進(jìn)入系統(tǒng)的量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)這些方法測(cè)的的數(shù)據(jù)。大量的氣體通過(guò)徑流溶解和天溝雨水?dāng)噭?dòng)進(jìn)入系統(tǒng)。 在圖8中顯示的數(shù)據(jù)是在徑流42進(jìn)入天溝時(shí)測(cè)得的全啟動(dòng)流通能力。從圖標(biāo)中曲線可以看出，運(yùn)行壓力是不穩(wěn)定的，進(jìn)行周期性的循環(huán)。平均運(yùn)行壓力為0.58 MH2O（標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.77 MH2O，132.6）在氣體直接進(jìn)入系統(tǒng)的的地方，只有當(dāng)壓力低于0.15 MH2O時(shí)，氣體才能夠溶解在雨水中進(jìn)入系統(tǒng)。高于這個(gè)數(shù)值時(shí)，空

17、氣很難進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)然仍舊有一些空氣還是溶解在雨水中進(jìn)入系統(tǒng)。8. 虹吸式雨水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖8。系統(tǒng)運(yùn)行在5.0 l / s時(shí)的壓力和空氣流動(dòng)數(shù)據(jù)利用動(dòng)量定理和連續(xù)性方程等數(shù)學(xué)方法，對(duì)虹吸式排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及邊界條件進(jìn)行模擬，可以清晰的認(rèn)識(shí)虹吸系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)?！癝IPHONET”模型，可以模擬虹吸排水系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，由這個(gè)模型模擬的運(yùn)行過(guò)程分為以下部分：隨著低空氣含量的雨水進(jìn)入系統(tǒng)，將逐漸的取代夾帶大量空氣的的均相雨水。隨著空氣從排水立管中不斷溢出，管道中產(chǎn)生虹吸條件，促使虹吸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的階段，最關(guān)鍵的點(diǎn)在于當(dāng)?shù)涂諝夂康挠晁錆M(mǎn)整個(gè)立管時(shí)。因?yàn)榇撕髮⑿纬韶?fù)氣壓環(huán)境

18、，并帶動(dòng)虹吸系統(tǒng)運(yùn)行。離散型的微小氣體在節(jié)點(diǎn)之間的移動(dòng)情況用樣可以檢測(cè)，內(nèi)部任何的壓力變化情況也可以計(jì)算出來(lái)。這些方法給出了用數(shù)學(xué)模型模擬虹吸系統(tǒng)啟動(dòng)，運(yùn)行的新視野。數(shù)學(xué)模擬的第一步就是模擬最初表面徑流的狀況，以及由跌水到達(dá)滿(mǎn)管流的模擬。一旦這些狀況用數(shù)學(xué)模型模擬出來(lái)，就可以用來(lái)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的最初壓力情況（t=0時(shí)）。運(yùn)行的主要模擬數(shù)據(jù)都由“SIPHONET”模型計(jì)算出來(lái)。利用動(dòng)量守恒定律等原理，系統(tǒng)中的水力學(xué)特性可以用折線型函數(shù)表現(xiàn)出來(lái)（公式2，3）。利用兩個(gè)變量表示出來(lái)：速度和壓力。這些方程可以利用特征方法求解出來(lái)79。圖9。正常的應(yīng)用程序的細(xì)節(jié)特征的方法。(注:為了清晰只備用節(jié)點(diǎn)代表。)

19、根據(jù)這種方法，將管線平均分成N段（N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)），每段長(zhǎng)度記為X。這種處理框架常用來(lái)模擬水平管網(wǎng)中的水力學(xué)狀況。 如圖9所示，空間上不同的兩個(gè)點(diǎn)A&B（i-1;i-2;t=0）壓力水頭已知。點(diǎn)P為中間節(jié)點(diǎn)i（t=t用公式4計(jì)算）。公式5，6分別對(duì)應(yīng)圖中C+,C特性。在圖9中，考慮到了每根管子的長(zhǎng)度，只有一種特征方程時(shí)可以應(yīng)用的（上游管段具有從C+ 特性，下游具有C 特性）。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在管道的上游和下游必須使用數(shù)學(xué)模型模擬流量和水頭。假定系統(tǒng)出口邊界點(diǎn)上的氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，虹吸式雨水斗進(jìn)口的壓力，可以通過(guò)徑流深度和雨水斗的類(lèi)型來(lái)確定。在系統(tǒng)以滿(mǎn)管流狀態(tài)啟動(dòng)之前，任

20、何進(jìn)入系統(tǒng)的雨水都被設(shè)為含氣量為0.1。并且設(shè)定雨水以完全淹沒(méi)雨水斗的方式進(jìn)入系統(tǒng)。在連接處，跌水的下部認(rèn)為時(shí)均相流（汽水混合狀態(tài)），其在節(jié)點(diǎn)之間的傳播速度可以使用公式7計(jì)算。顯而易見(jiàn)，在整個(gè)系統(tǒng)中，傳播速度并不是處處相等的，在很多情況下，雨水的速度可以達(dá)到混合液的傳播速度對(duì)于水平管道，這種假定并不是十分的重要，然而，在排水立管中，因?yàn)榱黧w中空氣含量的變化影響了系統(tǒng)壓力。因此，空氣含量對(duì)擴(kuò)散速度的影響必須考慮在內(nèi)，以此選擇合適的t值。因此,如果是選擇使用最高的波速度、時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定部分系統(tǒng)是可能存在(Eq. (4).使用時(shí)間線插值,其水平設(shè)置中，所有的系統(tǒng)元素使用最高的量,導(dǎo)致它產(chǎn)生最小值。

21、測(cè)定H。水平管道工程的傳播速度是用于設(shè)置它的。隨著傳播速度降低將意味著所花費(fèi)的時(shí)間要比它原來(lái)測(cè)定不同的變化條件下將被傳遞到P點(diǎn)從而相鄰。根據(jù)空氣傳播的數(shù)量和流動(dòng)速度，也可能成為持久的協(xié)調(diào)性,因此近似代表是無(wú)效的。這些因素意味著,如果節(jié)點(diǎn)1和+ 1仍用于測(cè)定問(wèn)和H點(diǎn)在時(shí)間和空間上的P,Q和H，已知值在這些節(jié)點(diǎn)必須獲得超過(guò)它過(guò)去時(shí)間的中P點(diǎn)的存在。這種情況意味著介紹解決方案的方法, 和時(shí)間線插值會(huì)推出解決特征方程為Q和H在連續(xù)時(shí)間的解決方案。圖10展示了時(shí)間線插值方法應(yīng)用于這種情況。時(shí)間線插值方法,而不是使用前面的時(shí)間步,和交流條件。時(shí)刻為當(dāng)前時(shí)間步,數(shù)據(jù)從一個(gè)位置轉(zhuǎn)達(dá)了m + _時(shí)間步驟之前,當(dāng)

22、前位置特征線(C +和C)交叉前和隨后的節(jié)面。解決方案結(jié)構(gòu)已經(jīng)出來(lái)了,并且SIPHONET現(xiàn)在可以開(kāi)始解決和H在每個(gè)節(jié)點(diǎn)為每個(gè)連續(xù)的時(shí)間步。SIPHONET還追蹤了空氣的移動(dòng)，提出上游的水躍,水流通過(guò)系統(tǒng)在環(huán)境流動(dòng)速度，而音量調(diào)整根據(jù)氣體定律，水流通過(guò)系統(tǒng)在計(jì)算這空間間隔。隨著空氣進(jìn)入堆棧，它的結(jié)果是減少流體密度在堆棧繁殖， 重壓部分的系統(tǒng)。然后引起巡回壓，因?yàn)樗顺鱿到y(tǒng)。在這個(gè)節(jié)骨眼上,系統(tǒng)被評(píng)為裝填。 圖11。起動(dòng)的虹吸式屋面排水系統(tǒng)在彎曲度2時(shí)的計(jì)算和測(cè)量壓力，見(jiàn)圖2。在上圖中，顯示的是“SIPHNOET”模型的輸出結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自對(duì)虹吸試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的總結(jié)。這種結(jié)果，可以幫助我們理

23、解流量與水深不斷變化著進(jìn)入系統(tǒng)與傳播速度之間的關(guān)系。一旦這些數(shù)據(jù)被整體輸入到“SIPHNOET”模型中，“真正”的隨時(shí)間變化的暴雨就在試驗(yàn)設(shè)備中形成了。9. 總結(jié)簡(jiǎn)而言之，結(jié)論如下【1】由于虹吸式排水系統(tǒng)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它占據(jù)了英國(guó)商業(yè)樓頂排水系統(tǒng)應(yīng)用的主題地位；【2】現(xiàn)在使用的設(shè)計(jì)方法中存在很多不足；【3】設(shè)計(jì)方法的不足，以及安裝問(wèn)題使得很多虹吸系統(tǒng)不能夠正常運(yùn)行；【4】在歐洲虹吸式雨水排水系統(tǒng)工業(yè)的幫助下，虹吸系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施在英國(guó)海若特瓦特大學(xué)建立；【5】建立了一種可以評(píng)估虹吸系統(tǒng)中空氣水平的數(shù)學(xué)方法；【6】關(guān)于虹吸排水系統(tǒng)的啟動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程得到了詳盡的描述；【7】試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)虹吸系統(tǒng)在

24、低于設(shè)計(jì)流通能力下工作時(shí)，流體的狀態(tài)時(shí)不穩(wěn)定的；【8】建立了一種數(shù)學(xué)模型，它可以模擬虹吸式雨水排水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。10研究動(dòng)向虹吸式雨水排水系統(tǒng)的研究范圍在不斷的擴(kuò)展，海若特瓦特大學(xué)一直在進(jìn)行著相關(guān)的研究。關(guān)于虹吸式排水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究，將持續(xù)到2002年。另外，在虹吸排水工業(yè)，以及政府正確的導(dǎo)引下，理想的虹吸式排水系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于雨水處理中。鳴謝海若特瓦特大學(xué)的研究者，對(duì)給予虹吸式排水系統(tǒng)研究提供幫助的企業(yè)組織表示感謝：山谷制造公司，EPSCR，皇家工程學(xué)院等等。參考資料1 Bowler R, Arthur S. Siphonic roof rainwater drainage design

25、 considerations. Proceedings on Water Supply and Drainage for Buildings: CIB W62, Edinburgh, 1999. 2 BSI. British standard code of practice BS6367: 1983 Drainage of roofs and paved areas, British Standard, 1983. 3 May RWP, Escarameia M. Performance of siphonic drainage systems for roof gutters. Report No. SR 463: HR Wallingford, 1996. 4 Arthur S, Swa*eld JA. Numerical modelling of siphonic rainwater drainage systems The Importance of Air. Proceedings of the 8th International Conference on Urban Storm