虹吸式屋面雨水排水系统设计软件

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虹吸式屋面雨水排水系统设计软件

张沙;王文海;杨金华

【摘 要】以科列勃洛克公式和伯努利方程为基础,采用Visual Basic语言设计虹吸式屋面雨水排放系统的水力计算软件,实现了设计及校核计算的自动化,并给出该软件的一个工程算例.

【期刊名称】《北京建筑工程学院学报》

【年(卷),期】2011(027)001

【总页数】4页(P56-59)

【关键词】虹吸式屋面雨水排放系统;vb语言;水力计算;科列勃洛克公式

【作 者】张沙;王文海;杨金华

【作者单位】北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;中国中元国际工程设计研究院,北京100089

【正文语种】中 文

【中图分类】TU823.6

屋面雨水排放系统按照其水力特征可分为重力流系统和压力流系统,随着大型公共建筑屋面面积的不断扩大,对建筑内部结构的要求也更加苛刻,传统的重力流排水系统由于其悬吊管安装需要坡度(坡向立管方向),使得对吊顶空间的需求很大,因此限制了连接的雨水斗个数和悬吊管的长度,在要求美观和节省空间的大型建筑物的使用上受到限制.由于虹吸雨水排水系统悬吊管不要求坡度使得吊顶空间对其约束较小,利用负压使其排水能力加强,悬吊管连接雨水斗个数原则上不受限制,排水立管数量少、管径小等诸多优点近年来获得了突飞猛进的发展[1].但是,由于起步较晚,虹吸雨水排水系统的设计计算方法及工具尚不完善.本文应用经典水力学公式,使用Visual Basic语言编制雨水排水系统水力计算软件,实现水力计算和校核的自动化.

1 虹吸雨水排水系统

1.1 虹吸雨水排水系统的组成及其工作原理

如图1所示,虹吸雨水排水系统由虹吸式雨水斗、连接管、悬吊管、立管、出户管组成.系统充分利用了屋面与排出管之间的几何高差,加大了排水流量.当降雨强度达到设计值时,管道内水流呈满流状态.在雨水连续流经雨水悬吊管转入雨水立管跌落时就形成虹吸作用,在该处管道产生最大负压.采用压力流的屋面排水系统,在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中排水,经屋面内排水系统从排出管排出,管道全充满的压力流状态.故称为压力流排水系统或满管流排水系统[2,6].

图1 虹吸雨水排水系统

1.2 系统的水力计算方法

虹吸雨水排水系统的设计流态是有压流,在满管流的条件下满足单相流且恒定不可压缩条件,计算的基础是伯努利方程.方程中局部损失计算比较简单,而沿程损失计算相对复杂一些,一种方法是采用达西公式[3]计算

式中 λ——是沿程损失系数,是沿程损失计算的关键

另一种方法是根据GB 50015—2003《建筑给排水设计规范》,采用海澄—威廉公式计算[4]:

式中 Hy——管道沿程水头损失,m

i——管道单位长度水头损失,kPa/m

L——管道长度,m

Ch——管材系数

dj——管道内径,m

众多文献推荐使用此公式,如文献[4],但由于海澄—威廉公式主要适用于水力过渡区V=0.9m/s的圆管满管紊流的一个很窄的范围内,当流速距离0.9m/s很远时须进行Cw的修正[5],而对于虹吸悬吊管V>1.0m/s,立管设计流速为6.0m/s>V>2.2m/s.故不适合使用,本文使用科列勃洛克公式来计算沿程水损.

2 科列勃洛克公式

科列勃洛克公式由科列勃洛克根据实用管道的实验结果提出,考虑了较多的影响因素,适用于光滑区、过渡区和粗糙区所以又称为湍流沿程阻力系数的综合公式[3,5].使用式(1)计算沿程损失时,科列勃洛克公式是目前普遍采用的沿程损失系数计算

公式:

式中 Δ——实用管道的当量粗糙度,m

d——计算管段的内径,m

Re——计算管径内流体的的雷诺数,无量纲数

由于是关于λ的隐式,过去多通过莫迪图查出,比较粗糙.本计算程序采用迭代法来求其值,确保了计算的精确度.

3 软件的计算约束条件

根据《建筑给水排水设计手册》[1]确定计算约束条件: 1)悬吊管流速不得小于1m/s;

2)立管流速不得小于2.2 m/s,且不得大于10 m/s,宜小于 6m/s;

3)排出管流速宜小于1.8m/s;

4)系统高度和立管管径的关系:DN<75 mm时,L>3m,DN100mm,L>5m;

5)系统最大负压:管材为铸铁管或钢时

为 -90 kPa,塑料管 DN<150 mm时为 -80 kPa,DN >200mm 时为 -70

kPa;

6)各管道交汇节点压差<15 kPa;

7)系统出口出的余压大于10 kPa的水压.

4 软件主要功能

1)校核计算:给定计算所需参数,如,屋面雨水汇水面积、当地降雨历时为5min时暴雨强度,从而计算流量、流速、管径节点压强、确定管径等未知参数.

2)设计计算:给定管段轴线长度、流量、管材、管径、高程、管网布置形式等一系列参数来计算管径.

由于在虹吸雨水屋面排水系统计算的特殊性,即:在虹吸雨水排水系统中,由于每节管段的流量不同(一般情况为向立管逐段增加),由流量、管径、管内流速三者的关系可知由于流量的不同和所选管径不同导致流速不断变化从而可能使其超过限值,另一方面由于降水的整个过程中每个雨水斗的实际流量不确定,管径也有一定的选择范围从而导致计算管段流速的不确定性.所以本程序采用了计算与校核相互穿插的计算模式,也就是说在计算过程中的每一步穿插各个部分的约束条件来校核.从而得到合理的计算结果.

5 算法实现过程

在程序设计中,将需要完成的各基本功能用模块(子程序)来实现,而后再进行整体程序设计,计算框图如图2: 图2 程序计算框图

程序采用递归法设计和基本的结构语句,在用科列勃洛克公式计算沿程水损时采用了迭代的方法求解.其基本算法与《建筑给水排水工程》[1]中关于虹吸式雨水排水水力计算方法基本一致,按雨水流动方向从支管到立管再到排出管(干管)依次进行计算并穿插校核.只是在本程序中用科列勃洛克公式计算的沿程水损来代替书中的用单位等效长度的阻力损失计算沿程水损,提高了计算的精确度.

6 人机界面及数据输入输出方式

采用窗口输入和窗口输出来与设计者交流信息.开始窗口界面见图3,主体输入窗口界面见图4,计算输出窗体界面见图5.

图3 开始窗口界面

图4 主体输入窗口界面

图5 计算输出窗口界面

开始窗口界面上的菜单包含有程序解释说明、参考数据部分的提示、程序的使用说明,便于设计者更好地运行本程序、了解本程序输出结果的意义和更准确的输入参数.

7 工程算例

虹吸式屋面雨水排水系统计算草图见图3.该例中的汇水面积:F=6 000m2.

5min历时暴雨强度:q=429L/(s·104 m2)输入以上两值,计算为Q=231.66 L/s,算得所需雨水斗数量为20个.

然后按要求分别输入计算管段的标号、计算管段上的雨水斗数量、所选管材(内衬塑铸铁管)、当量粗糙度、管径、计算高程、计算管段长度、计算管段上的局部损失系数.得到表(1)中的数据.

在程序运行过程中,根据系统的提示校核计算管径、流速、压强的要求均满足.如果计算过程中不满足可按提示重新进行相关部分的设计直到满足要求.

在文献[1]中,按单位等效长度的阻力损失方法计算的沿程阻力损失为13.558

kPa、14.369 kPa、17.653 kPa、21.865 kPa、25.726 kPa、32.363 kPa、40.685 kPa、81.848 kPa、88.003 kPa 两者有一定差距,其原因在于运用科列勃洛克公式提高了计算精度.

表1 管段水力计算表注:h为计算管段上的总水头损失.管段hf/hj/Pi/6 -13.386 2-3 12 1.0 110 1.440 0.177 0.3 0.311 15.847 6.566 -10.318 3-4 12 6 110

1.440 1.059 0.5 0.519 17.425 6.566 -11.896 4-5 24 6 125 2.232 2.042 0.5

1.246 20.713 6.566 -16.638 5-6 36 6 160 2.037 1.278 0.5 1.038 23.028

6.566 -18.537 6-7 48 6 160 2.716 2.185 0.5 1.844 27.057 6.566 -24.180 7-8 60 3 160 3.395 1.660 0.8 4.611 33.329 6.566 -32.527 8-9 60 10.7 140

4.454 11.624 0.8 7.935 52.888 111.426 48.619 9-10 60 9.6 250 1.384 0.584

1.8 1.724 55.196 111 kPa 1-2 12 0.6 75 3.031 0.660 3.2 14.695 15.359 6.56

Q/(L·s-1)L/m D/mm V/(m·s-1)ξ(kPa)kPa∑h/kPa 9.8H/kPa.426 55.273

8 结论

算例和实际应用表明,本软件能够辅助虹吸雨水排水系统的设计计算,使得设计精确,设计省时省力.

本水力计算软件只进行了单点式计算,而后叠加得到计算系统的各节点数据.而从便于工程计算和得知系统数据方面考虑应进一步完善,即从系统计算入手,使得计算成果为系统值,从而实现计算过程中的每一步不依附于上一步,达到便于实际工程应用和推广,方便设计计算、减少计算量、提高设计的准确度,并能方便的检查所设计的虹吸雨水系统负荷能力是否满足要求.

参考文献:

[1] 中国建筑设计研究院.建筑给水排水设计手册:第2版[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[2] 王增长.建筑给水排水工程:第5版[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[3] 闻德荪.工程流体力学:上册[M].北京:高等教育出版社,2005

[4] 孙瑛.压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统水力计算[D].给水排水,2002,28(1):77 -81

[5] 严熙世,刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[6] 林曾玉.虹吸式屋面雨水排放系统虹吸形成过程[D].北京建筑工程学院,2007

[7] 中华人民共和国国家标准.GB 50015—2003建筑给排水设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

[8] 刘慧,孙勇,米海蓉,等.给排水管材实用手册[M].北京:化学工业出版社,2005

[9] 张常庆,叶伯铭.材料员必读[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[10] 刘炳文,许蔓舒.Visual BASIC程序设计教程[M].北京:清华大学出版社,2006

[11] 陈锦昌,赵明秀,张国栋.VB计算机绘图教程[M].上海:华南理工大学出版社,2003