孫巧蘭 劉德明

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350108)

0 引言

隨著生活水平的普遍提高，居民對(duì)室內(nèi)家居環(huán)境的要求越來(lái)越高，建筑排水系統(tǒng)的衛(wèi)生狀況也受到越來(lái)越多的重視。水封是目前最常用且最有效的保障排水管道與室內(nèi)環(huán)境隔絕的方式，是建筑排水系統(tǒng)中保護(hù)室內(nèi)生活環(huán)境的重要環(huán)節(jié)[1]。保護(hù)排水系統(tǒng)的水封對(duì)于保護(hù)建筑排水系統(tǒng)的最大排水能力和保持室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；?，本文主要運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件，研究環(huán)形通氣管的設(shè)置位置和管徑對(duì)于排水系統(tǒng)橫支管上的S型存水彎水封保護(hù)的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬方法，形象直觀地獲得管道內(nèi)部流態(tài)和壓力變化的參數(shù)，以期為實(shí)驗(yàn)研究做適當(dāng)?shù)膮⒖肌?/p>

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是由流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合而集成的一門高度實(shí)用的學(xué)科。它通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算、模擬和分析，使用多種離散數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析[2]。FLUENT軟件是使用較為廣泛的一款軟件，現(xiàn)已廣泛地用于建筑、航空、汽車等諸多領(lǐng)域。同時(shí)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的吻合性也使數(shù)值模擬得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

1.1 幾何建模

本研究以室內(nèi)排水橫支管為數(shù)值模擬的研究對(duì)象，排水管管材采用UPVC排水塑料管(忽略管壁厚度)，考慮絕熱條件，參照國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《住宅衛(wèi)生間》(14J914-2)內(nèi)典型的T8型衛(wèi)生間，一個(gè)坐便器、一個(gè)洗臉盆和一個(gè)地漏，衛(wèi)生間平面布置如圖1所示，幾何模型如圖2～圖5所示。大便器排水管和排水橫支管管徑為110mm，洗臉盆排水管管徑為50mm，存水彎水封深度均為50mm，坡度采用標(biāo)準(zhǔn)坡度為0.026。模型一橫支管上無(wú)通氣管，模型二在大便器排水管和末端存水彎中間設(shè)置50mm環(huán)形通氣管，模型三在大便器排水管和末端存水彎中間設(shè)置75mm環(huán)形通氣管[3]，模型四在大便器排水管和末端存水彎之間靠近末端存水彎位置，設(shè)置50mm環(huán)形通氣管。

圖1 衛(wèi)生間平面布置圖

圖2 排水幾何模型一

圖3 排水幾何模型二

圖4 排水幾何模型三

圖5 排水幾何模型四

1.2 網(wǎng)格劃分

將CAD建立的模型導(dǎo)入ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法。在計(jì)算敏感區(qū)，如存水彎處，設(shè)置較密的網(wǎng)格以提高計(jì)算的精度。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 Fluent計(jì)算參數(shù)設(shè)置

實(shí)際排水過(guò)程屬于氣-液-固三相流過(guò)程[4]，相對(duì)來(lái)說(shuō)，水和氣體的比例較大，固體污物比例較小，對(duì)系統(tǒng)的流動(dòng)影響也較小，因此本次模擬將排水過(guò)程簡(jiǎn)化為氣、水兩相流。排水初期排水管道內(nèi)部全為氣相，開(kāi)始排水時(shí)水的比例不斷增加，轉(zhuǎn)變成氣水兩相，氣相作為主相，液相為次要相。存水彎水封處初始為液相，動(dòng)力黏度為0.001003kg/m·s，其余部分為氣相，其粘度為1.7894×10-5kg/(m·s)，工作壓力為大氣壓。選擇計(jì)算模型為瞬態(tài)(Transient)，考慮重力加速度，大小為-9.81m/s2。

本次模擬采用的物理模型是VOF模型，計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確地顯示出氣、液兩相的分界面。流場(chǎng)計(jì)算采用分離式解法；確定流型為湍流，湍流模型采用Realizable k-ε模型。求解器類型選擇使用壓力修正算法的 Pressure-Base求解器。

本次4個(gè)模型主要考慮大便器和洗臉盆同時(shí)排水對(duì)末端S型存水彎水封的影響，將洗臉盆和大便器排水口設(shè)為速度進(jìn)口，排水過(guò)程近似為連續(xù)恒定流過(guò)程，大便器(沖洗水箱)的排水流量為1.5L/s，排水管徑110mm，可計(jì)算出大便器排出口的速度為0.17m/s[5]；洗臉盆排水管的速度為0.13m/s。定義速度值時(shí)，保證速度方向垂直于邊界(Normal to Boundary)。湍流定義方法設(shè)置為強(qiáng)度和水力直徑。末端存水彎、通氣管上部和排水橫管出口都為壓力出口。

初始化標(biāo)記后的氣液兩相如圖6～圖9所示，存水彎水封部分初始為水[6]，用紅色表示；其余部分初始全部充滿空氣，用藍(lán)色表示。存水彎水封深度均為50mm。

圖6 模型一初始液相標(biāo)記圖

圖7 模型二初始液相標(biāo)記圖

圖8 模型三初始液相標(biāo)記圖

圖9 模型四初始液相標(biāo)記圖

2.2 模擬結(jié)果[6-7]

2.2.1橫管未設(shè)置通氣管時(shí)末端S型存水彎水封流態(tài)變化

(a)模型一0.25s的流態(tài)變化

(b)模型一0.5s的流態(tài)變化

(c)模型一1.25s的流態(tài)變化

(d)模型一1.75s的流態(tài)變化

(e)模型一2.25s的流態(tài)變化

(f)模型一2.75s的流態(tài)變化

(g)3s的流態(tài)變化

(h)3.25s的流態(tài)變化圖10 橫管不設(shè)置通氣管時(shí)排水管道內(nèi)流態(tài)與壓力變化

由圖10可以看出，衛(wèi)生器具還未開(kāi)始排水時(shí)，橫支管內(nèi)部除了存水彎水封部分其余全部充滿空氣，隨著橫支管上洗臉盆和大便器開(kāi)始排水，管道內(nèi)水流體積變大，空氣體積被壓縮，管道內(nèi)壓力處于波動(dòng)狀態(tài)。橫支管內(nèi)壓力波動(dòng)傳遞到末端S型存水彎處，存水彎內(nèi)水封在管內(nèi)壓差作用下開(kāi)始移動(dòng)如圖10(a)(b)所示。隨著排水流量的不斷增加，在排水橫支管內(nèi)，水流呈現(xiàn)雙向流動(dòng)，在其前后形成水躍。在橫支管末端管段內(nèi)形成正壓，末端存水彎進(jìn)水端水面不斷上升，如圖10(c)(d)所示。隨著排水繼續(xù)，在橫管中的水越來(lái)越多形成雍水向橫管末端，末端存水彎內(nèi)水封不斷被擠出，如圖10(e)(f)所示。到3.25s左右末端存水彎內(nèi)水封基本全部損失，如圖10(g)(h)所示。

2.2.2橫管設(shè)置DN50環(huán)形通氣管時(shí)末端S型存水彎流態(tài)變化

由圖11可以看出，相同的排水條件，由于橫管上增加了50mm的環(huán)形通氣管，存水彎內(nèi)水封在管內(nèi)壓差作用下剛開(kāi)始只出現(xiàn)輕微移動(dòng)，如圖11(a)(b)(c)所示。隨著排水流量的不斷增加，在排水橫支管內(nèi)，在橫管中的水形成雍水不斷向橫支管末端流動(dòng)，水封出現(xiàn)了少量損失，如圖11(d)(e)所示。隨著末端雍水越來(lái)越多，存水彎水封出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)，到3.1s左右末端存水彎內(nèi)水封并未有明顯的損失，如圖11(f)(g)(h)所示。

(a)0.15s的流態(tài)變化

(b)0.5s的流態(tài)變化

(c)0.9s的流態(tài)變化

(d)1.3s的流態(tài)變化

(e)1.9s的流態(tài)變化

(f)2.1s的流態(tài)變化

(g)2.5s的流態(tài)變化

(h)3.1s的流態(tài)變化圖11 橫管設(shè)置DN50環(huán)形通氣管時(shí)排水管道內(nèi)流態(tài)變化

2.2.3橫管設(shè)置DN75環(huán)形通氣管時(shí)末端S型存水彎水封流態(tài)變化

(a)0.2s的流態(tài)變化

(b)0.4s的流態(tài)變化

(c)1.2s的流態(tài)變化

(d)1.6s的流態(tài)變化

(e)2s的流態(tài)變化

(f)2.2s的流態(tài)變化

(g)2.6s的流態(tài)變化

(h)3s的流態(tài)變化圖12 橫管設(shè)置DN75環(huán)形通氣管時(shí)排水管道內(nèi)流態(tài)變化

由圖12可以看出，相同的排水條件，由于橫管上增加了75mm的環(huán)形通氣管，存水彎內(nèi)水封在管內(nèi)壓差作用下排水初期也只出現(xiàn)輕微移動(dòng)，如圖12(a)(b)所示。隨著排水流量的不斷增加，在排水橫支管內(nèi)，在橫管中的水形成雍水不斷向橫支管末端流動(dòng)，水封不斷波動(dòng)并出現(xiàn)了少量損失，如圖12(c)(d)(e)所示。隨后，存水彎水封處于不斷波動(dòng)過(guò)程，到3s左右末端存水彎內(nèi)水封并未出現(xiàn)明顯的損失，如圖12(f)(g)(h)所示。

2.2.4靠近存末端水彎設(shè)置DN50環(huán)形通氣管時(shí)末端S型存水彎水封流態(tài)變化

由圖13可以看出，相同的排水條件，由于將50mm的環(huán)形通氣管移至靠近末端存水彎處時(shí)，存水彎內(nèi)水封在管內(nèi)壓差作用下剛開(kāi)始只出現(xiàn)輕微移動(dòng)，如圖13(a)(b)所示。隨著排水流量的不斷增加，在排水橫支管內(nèi)，在橫管中的水形成雍水不斷向橫支管末端流動(dòng)，水封出現(xiàn)了少量損失，如圖13(c)(d)所示。隨著管內(nèi)氣壓波動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)烈，存水彎水封在負(fù)壓的作用下出現(xiàn)了一定程度的損失，到3s左右末端存水彎內(nèi)水封出現(xiàn)了明顯的損失，如圖13(e)(f)(g)(h)所示。

(a)0.2s的流態(tài)變化

(b)0.5s的流態(tài)變化

(c)0.8s的流態(tài)變化

(d)1.3s的流態(tài)變化

(e)1.7s的流態(tài)變化

(f)2.0s的流態(tài)變化

(g)2.5s的流態(tài)變化

(h)3.0s的流態(tài)變化圖13 橫管靠近存末端水彎設(shè)置DN50環(huán)形通氣管時(shí)排水管道內(nèi)流態(tài)變化

3 結(jié)論

由以上4種模型的排水流態(tài)變化過(guò)程可以看出，當(dāng)橫管尚未設(shè)置環(huán)形通氣管時(shí)，管道內(nèi)氣壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致末端存水彎水封水量不斷損失，到3s左右基本損失殆盡。當(dāng)在橫管末端兩個(gè)衛(wèi)生器具中間設(shè)置環(huán)形通氣管時(shí)，管道內(nèi)氣壓波動(dòng)較為平緩，末端S型存水彎的水封僅出現(xiàn)微弱的損失。即排水條件相同時(shí)，在排水橫支管上設(shè)置環(huán)形通氣管對(duì)于水封保護(hù)有一定的作用。

在橫管上設(shè)置DN50和DN75的環(huán)形通氣管時(shí)，存水彎內(nèi)水封波動(dòng)沒(méi)有太大的差異，說(shuō)明通氣管的管徑并不是越大越好。

將環(huán)形通氣管的位置移動(dòng)至靠近末端存水彎時(shí)，其管內(nèi)氣壓波動(dòng)基本介于兩者之間，末端S型存水彎的水封到3s左右出現(xiàn)了一定程度的損失，說(shuō)明環(huán)形通氣管的設(shè)置位置對(duì)于水封保護(hù)會(huì)產(chǎn)生不同的影響和作用。

本研究運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)FLUENT軟件，對(duì)建筑排水橫支管排水流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究環(huán)形通氣管的設(shè)置位置和管徑對(duì)室內(nèi)排水系統(tǒng)橫支管中S型存水彎的水封保護(hù)的影響，直觀形象地得出了存水彎內(nèi)部水封變化的具體流態(tài)，可見(jiàn)數(shù)值模擬對(duì)于研究流體問(wèn)題是可行的[8]。

此外，本研究?jī)H考慮氣液兩相流的情況，而在現(xiàn)實(shí)的建筑排水系統(tǒng)中，其內(nèi)部流態(tài)是氣液固三相流；同時(shí)只研究了S型存水彎，因此，對(duì)于這一方面的研究還有待進(jìn)一步深入。