直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法

摘要

本发明公开一种用于排污系统中有循环气管的直流式竖井结构卷吸气体量及管内气压的计算方法。涉及由入水管、进气管、垂直管以及出流管构成的跌水结构中，针对竖井结构中的气压随高程变化的三个阶段：水舌阻隔段、恒定段和线性增长段。对第一段水舌组隔段提出适用公式，确定第二段恒定的高程。并对线性增长区的压力梯度进行计算，得到进气口处的压力与气量之间的关系。本发明的方法基于已知任一上下游条件，即可推求竖井吸气量等其他特性参数，为竖井的设计提供了可靠参考。

权利要求

1.一种直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法，其特征在于：将竖井结构中的气压变化随高程降低划分为三个阶段：水舌阻隔段、恒定段和线性增长段，执行以下计算步骤：步骤1，确定进气口压力与进气量的关系

          （1）

其中V0是进气口中的平均气体流速，ρa = 1.2 kg/m3为标准大气压室温时的气体密度，是从外界到竖井进气口处的压力差，K0为空气流入的损失系数；

步骤2，计算入流水舌对压力的影响

              （2）

其中Q*=   是无量纲的水流量，Qw为水流量；Ds 为竖井垂直管道直径；a，b均为与垂直竖井结构相关的常数，P为气体的相对气压值， P0 为水舌上方的气压值，P1为入射水舌下方的气压值，va 为竖井垂直管道内的平均气体流速；

步骤3，将恒定段的压力恒定视为直到z = 2.6 m处；

步骤4，计算线性增长段的压力梯度变化

              （4）

其中d = 2 mm 为水柱破碎后水滴的典型直径，Cd = 0.4为拖拽系数， V = 6 m/s 为水滴的平均下落速度；

步骤5，计算循环气量

             （5）

为竖井下游与上游之间的压力差， Kc为循环气流的阻力系数。

2.根据权利要求1所述的一种直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法，其特征在于：所述竖井的顶部密封，竖井侧壁具有进气口和进水口，空气从进气口进入竖井中，水流经进水管流入垂直竖井过水段，再经排水管排出。

3.根据权利要求2所述的一种直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法，其特征在于：所述竖井被竖直隔板分割为湿管和气管，隔板上方留有小孔，水流从湿管侧流过，卷吸至下游的气体可部分从气管循环到湿管内，形成内循环气流。

说明书

直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及排污领域管道气量的算法，具体涉及一种直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法。

背景技术

[0002] 在污水/雨水管道系统中，为了将水流从高处输送到至低处，排水系统中常常设置有竖井或跌水井等跌水结构。竖井结构过流时常常伴随着大量外界气体的卷吸，这部分气体被带入到竖井下游乃至整个排水管道中，并增大管道内部压力。这对系统的正常、良好的运行造成了一定的影响。逸散的臭气也严重影响了城镇居民的生活，不利于环境建设和发展。因此研究直流式竖井内的吸气问题显得很有必要。

[0003] 对直流式竖井的研究主要有以下几个方面：首先是通过实验的方法，利用摄像、拍照的方式探索竖井内水流的运行状态。有不少研究是针对该种竖井的设计研发工作，试验了不同进口的过流能力比较、不同竖井底部结构的水流特性差异和消能效果，以及不同管段连接方式对消能的影响。近年来，随着实验精度的提高，通过测定入流管和出流管的水深，结合高程，可以较为精确的得出特定竖井给定条件下的消能效率。此外，实验室对进气量的测量也逐渐增多，不同的竖井结构也有其特定的水量与气量比值。也有一些对实际工程排污管道中的水量气量比进行的测定。虽然这类比值有一定的参考价值，但各个竖井差异较大，特别是实验室模型与原型竖井之间的吸气量并不能简单的依据相似比得出，因而对很难以此推算其他竖井的进气量。随后，竖井的量化分析开始转向竖井内部的流态分析，人们始终想去探索竖井结构中水气两相的作用机理。有学者对竖井内横截面上水柱的分布情况进行了分析，发现横截面水珠分布并不均匀，且竖井内的水珠有呈涡型变化趋势，集中分布趋势也随高度下降也所降低。研究发现，竖井内由于入流水柱破碎成小水珠而造成水流表面空气的接触面大大增加，而水气两相间的速度差使得气体被拖拽向下，直到水滴抵达竖井底部。这样，大量被带入的气体进一步流向管道下游。有学者经动量方程推导了该种情况时，竖井内的水柱破碎段的气压梯度变化公式。该公式阐明竖井内气压梯度变化与水滴的直径、水气之间的相对速度，以及入水流量有关。但该公式仅用于竖井较底部处“类雨区”的压力梯度计算，并未指明竖井上端的压力梯度情况。

[0004] 随着社会发展的要求，直流式竖井逐渐开始设置循环气流装置，即利用竖井上下游之间存在的压力差，设置联通装置，将竖井出流管的上方连接至竖井的进气口附近，形成一部分的循环气流来减少系统从外部吸入的气量。这些方法主要有：在竖井底部设置大的腔室，使气流聚集，然后在腔室上方接通气管；有些则是直接在出流管上方连接通气管至处理站，或者接至竖井进气口附近形成循环气流。工程中也有在该联通气管与原垂直竖井之间连接水平通气管的方式，以进一步增强循环的气流量。对于该种有循环气管的方式，其有效性可从进气量上直接反应。但目前仍没有直接的算法能够估算系统的进气量。

[0005] 对于在工程中大量应用的竖井装置而言，能够有效估算其进气量及管道下游压力是个亟待解决的问题。另外，对于有循环气管的竖井，循环装置的有效性可直接从进气量上反应。因此，提出一套完整估算直流竖井内气量及压力的算法十分必要。

发明内容

[0006] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提出一种用于排污系统直流式竖井结构卷吸气体量的算法，该算法也能进行有循环装置的竖井特性估算。

[0007] 技术方案：为解决上述问题，本发明提出直流式竖井结构卷吸气量及管内气压的计算方法，是将竖井结构中的气压变化随高程降低划分为三个阶段：水舌阻隔段、恒定段和线性增长段，执行以下计算步骤：

[0008] 步骤1，确定进气口压力与进气量的关系

[0009]

[0010] 其中ρa＝1.2kg/m3为标准大气压室温时的气体密度，ΔP0是从外界到竖井进气口处的压力差，K0为空气流入的损失系数；

[0011] 步骤2，计算入流水舌对压力的影响

[0012]

[0013] 其中 是无量纲的水流量，Qw为水流量；Ds为竖井垂直管道直径；a，b均为与垂直竖井结构相关的常数，P0为水舌上方的气压值，P1为入射水舌下方的气压值；

[0014] 步骤3，将恒定段的压力恒定视为直到z＝2.6m处；

[0015] 步骤4，计算线性增长段的压力梯度变化

[0016]

[0017] 其中d＝2mm为水柱破碎后水滴的典型直径，Cd＝0.4为拖拽系数，Va为竖井垂直管道内的平均气体流速，V＝6m/s为水滴的平均下落速度；

[0018] 步骤5，计算循环气量

[0019]

[0020] ΔP为竖井下游与上游之间的压力差，Kc为循环气流的阻力系数。

[0021] 具体地，所述竖井的顶部密封，竖井侧壁具有进气口和进水口，空气从进气口进入竖井中，水流经进水管流入垂直竖井过水段，再经排水管排出。

[0022] 具体地，所述竖井被竖直隔板分割为湿管和气管，隔板上方留有小孔，水流从湿管侧流过，卷吸至下游的气体可部分从气管循环到湿管内，形成内循环气流。

[0023] 使用时，本发明的种计算直流式竖井结构卷吸气量的算法，包括进气口压力与进气量的关系(1)，所述(1)是用气流速度是压力和水头损失综合作用的关系；入流水舌对压力的影响(2)，所述(2)是由于入射水流占据了一部分竖井垂直管道的面积，缩减了气流流经时的过流面积，导致气压的降低。随流量的增大，水流占据面积增大，气流过流面积减小，压力降低更显著；恒定的压力变化段(3)，所述(3)并非压力完全不变，只是相对于其他气压变化显著段而言，该段的压力变化甚微，在计算模型中将该段视为压力不变段；及线性增长的压力变化段(4)，所述(4)参考前人所述公式，压力梯度是由水柱破碎成的小水滴随重力向下运动时对周围空气的拖拽力造成的。另外，对于有循环气流的装置，还要考虑其循环的气体部分(5)。所述(5)的气流量是由竖井下游与竖井上游进气口之间的压力差和循环气流流经时的阻力系数决定的。该阻力系数仅考虑循环气流流经时的局部损失系数，沿程损失系数若很小可忽略不计。这样，对直流式竖井结构，已知其结构上游或下游的任一条件，如上游压力、上游进气量、进气速度、下游气流量、下游气压等，就可以结合本发明的方法计算该直流式竖井内的参数特性。

[0024] 具体地，(1)的关系式表达为 其中ρa＝1.2kg/m3为标准大气压室温时的气体密度，ΔP0是从外界到竖井进气口处的压力差，K0为空气流入的损失系数。

[0025] 具体地，水舌对竖井结构内气压的影响(2)可以表达为其中 是无量纲
的水流量，Qw为水流量；Ds为竖井垂直管道直径；a，b均为常数，不同的垂直竖井可能有差异，但相似结构的数值可参考使用。P0为水舌上方的气压值，P1为入射水舌下方的气压值。

[0026] 具体地，(3)的压力恒定可视为直到z＝2.6m处。

[0027] 具体地，(4)的压力梯度变化是 其中d＝2mm是水柱破碎后水滴的典型直径，Cd＝0.4是拖拽系数，Va是竖井垂直管道内的平均气体流速，V＝6m/s是水滴的平均下落速度。

[0028] 具体地，(5)的循环气体流速为 ΔP是竖井下游与上游之间的压力差，Kc是循环气流的阻力系数。

[0029] 有益效果：本发明给出了计算污水/雨水系统中直流式竖井结构内部的气压和气量的方法。该方法不仅适用于普通直流式竖井结构的计算，还可对有循环气管的直流式竖井进行计算。本发明的方法简单，不仅可用于模型计算，也可应用于原型估算。

[0030] 除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在其基础上未经创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

[0031] 图1为本发明直流式竖井结构的计算示意图；

[0032] 图2为本发明有内循环气管的直流式竖井结构计算示意图；

[0033] 图3为本发明实例一中卷吸气体量的实际值与计算值的比较；

[0034] 图4为本发明实例一中竖井上下游的压力差比较；

[0035] 图5为本发明实例二中卷吸气量的实际值与计算值的比较

[0036] 图6为本发明实施例二中循环气量的实际值与计算值的比较；

[0037] 图7为本发明实例二中竖井上下游的压力差比较；

[0038] 图中：进气口6，进水管7，垂直竖井8，排水管9，隔板10，湿管11，气管12。

具体实施方式

[0039] 实施例一

[0040] 图1是本实施例的直流式竖井结构装置示意图。该竖井顶部密封，空气从直径为0.1m的进气口6被带入。水流经直径为0.19m的进水管7流入垂直竖井过水段8中，再经排水管9排出。垂直竖井8和排水管9的直径均为0.38m。水流的落差从进水管底部z＝0m到排水管z＝7.72m。

[0041] 计算中，公式(1)中的损失系数为1.5。该结果从实验结果拟合得出。该实例还已知其排水管末端压力P3＝0Pa。这样，联立方程(1)、(2)和(4)，就可完成该竖井结构内气压值和吸气量的计算。图3是该竖井从外界卷吸气量的估算值与实验室测定值之间的比较。图4是该竖井管道上下游压力差计算值与实测值之间的比较。可以看出，经过该方法得出的估算值可以较好的模拟实际竖井的吸气量和气压值。

[0042] 实施例二

[0043] 图2是本实施例的结构示意图，它是通过对实施例一的竖井增加一隔板10从而形成湿管11和气管12，隔板10上方留有一直径约为0.10m的小孔。水流从湿管11侧流过，卷吸至下游的气体可部分从气管12循环到湿管11内，形成内循环气流。对这样有循环气流的竖井，除应用实例一中的公式(1)-(4)之外，还应考虑循环气流量(5)。公式(5)中，循环气流的阻力系数经实验测定为Kc＝Kt+Kb，Kb＝20为循环气流通过竖井底部时的损失系数，Kt＝1.23，为循环气流通过顶部小孔时的损失系数。本算例中管道内部沿程损失很小忽略不计。
联立以上方程组，就可以计算得到实施例二竖井内的压力值和气流量。图5、图6和图7分别给出了经该方法计算求得的气量及气压的估算值与实际测量值之间的比较。可以看出，本算法可以较好的估计竖井的卷吸气量、循环气量及压力变化趋势，特别是在流量较大时，计算值与实测值匹配很好。

[0044] 以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。