【给排水探讨时间】排水立管底部弯头结构形状对系统排水性能的影响

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在高层住宅中，当排水系统立管底部弯头和横干管的配置不合理时，底层住宅卫生间排水器具往往会出现正压喷溅现象。主要原因是立管水流下落时由于气液界面摩擦阻力的作用，往往会带动管内的空气向下移动，当水流通过底部弯头进入横干管出现了“水跃”现象时（如图1），便造成了横干管通气不畅，立管底部管段区域压力上升。当压力超过一定值时，底层住宅管道中的废气往往便冲破排水器具水封夹带污水喷溅出来。因此，排水系统立管底部弯头和横干管的合理配置，直接关系到系统水封的安全性能。造成“水跃”现象的原因主要有三个方面。一是水流方向和流速的改变；二是底部弯头结构形状的影响；三是进入底部弯头的水流形态。

水流方向和流速的改变是形成“水跃”现象的主要成因。 当流速较高的立管水流通过底部弯头流入横干管时，弯头的结构阻力和水流方向的改变，使水流下落速度急剧下降，在水流动能的作用下，转化成水平方向的水流加速运动。由于水平水流加速初期的流速较低，造成横干管靠近底部弯头的水平流速较低局部管段过水断面增大，形成“水跃”。为了防止“水跃”阻塞横干管截面，在设计中往往采用扩大横干管管径的方式。

底部弯头结构形状及与扩径横干管的连接方式也是形成“水跃”现象的一个成因。根据康达效应（Coanda Effect），流体有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向，亦称附壁效应。当流体当与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大，依据流体力学中的伯努利定律，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。

因此，从排水立管经底部弯头到排水横干管（排出管），整个管道内壁的几何形状往往决定了经底部弯头进入横干管的水流形态特性。弯头及变径管形状等几何形状曲率变化因素都可能造成“水跃”现象的发生。

当螺旋形立管水流经底部弯头进入横干管时也容易产生沿管道内壁旋转的“水跃”现象。因此，立管水流形态也是形成“水跃”现象的成因之一。

如何消除底部横干管“水跃”现象或降低“水跃”现象对系统的影响?

1、大曲率半径（小曲率）的底部弯头可有效地降低“水跃”现象的发生

如图2所示，当立管水流经过底部弯头时，在弯头结构阻力的作用下，水流的方向由垂直下落转变为水平流动。当水流通过弯头进入横干管时，水平流速由初始的Vpx1=0(或Vpd1=0)，加速到Vx（或Vd）。垂直流速由Vg逐步减弱为Vgx1(Vgd1)，直至为0。因此，水流通过底部弯头，在水平方向是一个加速的运动，在垂直方向则是一个减速的运动。以两个不同曲率半径的底部弯头来分析，在同样90°的转弯角度下，大曲率半径（小曲率）Rd底部弯头弧长Ld要大于小曲率半径（大曲率）Rx底部弯头弧长Lx，即Ld＞Lx。这就意味着在大曲率半径（小曲率）Rd底部弯头中，水流有更长的水平加速和垂直减速距离，当进入横干管时，Vd＞Vx。较大的水平流速可以减小横干管过水断面，降低了“水跃”现象的发生。

从另一个方面看，根据康达附壁效应理论，流体更倾向于吸附着大曲率半径曲面运动，较小的曲率半径会使水流“弹离”原有曲面，产生“水跃”现象。

2、增大横干管管径可防止“水跃”现象阻塞管道

当立管水流流经底部弯头时，由于弯头结构阻力和摩擦阻力的作用，水流速度降低，横干管内的过水断面积增大，拥塞整个管腔，造成通气通道堵塞。采用扩大横干管管径的结构，可以有效地扩大管径截面积，防止“水跃”现象阻塞管道。

3、避免底部弯头及变径管段内表面曲率突变的结构形状，可减缓“水跃”现象的产生

当底部弯头及变径管段内表面出现曲率突变的结构形状时，管道阻力增加，水流速度降低，加之流体的附壁效应，极易产生“水跃”现象。如图3所示的两种常见的底部弯头及变径管组合的立管底部管道设计结构。由于这两种配管结构在水流经过的管道内壁都存在曲率突变的结构形状，尽管有大曲率半径和横干管扩径结构，仍然会产生较严重的“水跃”现象。通过底部弯头采用双45°弯头加变径管（见图4）和变径管加双45°弯头（见图5）两种弯头和变径管配置方式的水流试验可以看到，距立管轴线1米以内的横干管管段内都产生了“水跃”现象

在GY型加强旋流器特殊单立管排水系统立管底部弯头采用的大半径变截面异径弯头是一种消除“水跃”现象较佳水力学结构配置。如图6所示，它不仅具有较大的曲率半径，而且平滑过渡的扩径设计使整个管道内壁没有曲率突变的结构，使水流可以沿着异径弯头底部曲率最小的表面畅顺的流入横干管管段，消除了“水跃”现象。从图7所示的水流试验实拍照片可以看到，在与图3和图4试验相同立管和横干管管径条件下，采用3D大半径变截面异径弯头作为立管底部弯头，当排水流量达到10升/秒时，弯头出口处的透明扩径横干管内水流仍然非常畅顺，未发现“水跃”现象(见图7）。

如图8所示，从采用大半径变截面异径弯头的GY型加强旋流器特殊单立管排水系统的水力测试结果可以证明，整个立管系统不同楼层正压均处于一个非常平稳的状态，未出现通常系统中低层正压偏高的情况。说明采用大半径变截面异径弯头的特殊单立管排水系统底部横干管内未发生“水跃”等阻塞通气通道的现象，可大大地降低立管低层的正压力。

4、避免螺旋形立管水流进入底部弯头，可防止“水跃”现象的发生

当立管中螺旋形水流旋转进入底部弯头时，即便采用底部大半径变截面异径弯头，仍会出现“水跃”现象，造成立管下层区域正压增加。这种情况一般发生在具有附壁螺旋形流态的特殊单立管排水系统，如切向入水的旋流器系统、内螺旋管立管系统等。解决的办法是：在底部弯头的上方安装一个内壁有若干条竖筋或与螺旋水流旋向相反的斜筋结构的整流接头，使立管螺旋形水流在进入底部弯头前被修正为直流水流。是否需要设置整流接头，还是要通过试验，根据不同系统进入底部弯头前的水流形态来确定。例如GY型加强旋流器特殊单立管排水系统，尽管具有螺旋形水流形态，但一般情况下水流离开旋流器约1.5米左右，便衰减成了直流附壁水膜。如果底部弯头上口距加强旋流器下口超过1.5米，便可不设置整流接头。而采用内螺旋管的立管系统则需要设置整流接头。

底部弯头设计安装时应注意的问题

不论是何种排水系统都应重视立管系统底部弯头的合理配置。这样可以有效地改善建筑排水系统底层区域正压偏高的情况。具体设计中应注意下列几个方面：

1、立管底部弯头应选用弯曲半径不小于立管公称直径3倍的大半径弯头，避免使用小半径弯头、两个45°弯头或双45°弯头等类似变形曲率较大的弯头；

2、考虑到排水立管与横干管排水能力的差异，横干管应选用比排水立管管径大1~2级的管材；

3、应尽可能选用大半径变截面异径弯头（如图9）来解决立管与横干管变径过渡连接问题，若要采用变径管件，也应选用结构变形曲率较小的渐变型变径接头（如图10），切忌在底部弯头和横干管变径过渡段采用漏门型变径接头（如图11）。

4、采用螺旋形水流形态的排水管系统，如果进入底部弯头前的水流呈螺旋形流态，应在底部弯头入水端安装整流接头，以修正水流，防止“水跃”现象发生。

通过对立管底部弯头管道结构的优化设计，可改善和解决高层、超高层住宅排水系统底层区域正压喷溅的问题。以往我国标准在系统不同部位的管件选用上规定不明确，在具有重力流特征的建筑排水系统的管路中，管件的结构形状及配置组合往往直接关系到水流形态的形成，而不同管路节点的水流形态又影响着整个系统的水力学性能。因此，了解各种管配件的特定功能，根据不同管路的水力学要求合理运用，可以使整个排水系统的功 能得到改善和优化。

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