虹吸式屋面雨水排水系统设计软件.pdf

第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 1年 3月 北 京 建筑 工 程学 院 学报 J o u r n a l o f B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e Vo 1 ． 2 7 No ．1 M a r ． 2 Oll 文章编号 ： 1 0 0 4— 6 0 1 1 ( 2 0 1 1 ) O 1 — 0 0 5 6— 0 4 虹吸式屋面雨水排水 系统设计软件 张 沙 ， 王 文 海 ， 杨 金 华 ( 1 ．北京建筑工程学院 环境与能源工程学 院，北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 中国r ” 元 国际工程设计研 究院，北京 1 0 0 0 8 9 ) 摘 要 ：以科 列 勃洛克公 式 和伯努 利方程 为基础 ， 采 用 Vi s u a l B a s i c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 ． 关键词 ： 虹 吸式屋 面雨水排放 系统 ； v b语 言 ； 水 力计 算 ； 科 列勃 洛克公 式 中图分 类号 ： T U 8 2 3 ． 6 文献标 志码 ： A S o f t wa r e De s i g n f o r Hy d r a u l i c Ca l c u l a t i o n o f S i p ho ni c Ro o f Dr a i n a g e S ys t e m Zh a n g S h a ，W a n g W e n h a i ，Ya n g J i n h u a ( 1 ． S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ，B U C E A，B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 2 ． C h i n a l p p r I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 9 ) Abs t r a c t：Ba s e e d o n Co l e b r o o k CF a n d Be r n o u l l i Eq u a t i o n，h y dr a u l i c c a l c u l a t i o n s o f t wa r e f o r s i p h o n i c r o o f d r a i n a g e s y s t e m i s de s i g n e d b y us i n g Vi s u a l Ba s i c l a n g u a g e ．Ca l c u l a t i o n for a u t o ma t i c de s i g ni n g a n d c h e c k i n g i s i mp l e me n t a t e d ． And a n e n g i n e e r i n g e x a mp l e i s p r e s e n t e d． Ke y wo r d s：s i p h o n i c r o o f d r a i n a g e s y s t e m ；v i s ua l b a s i c l a n g u a g e；h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n；c o l e b r o o k CF for mu l a 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 ．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 V i s u a l B a s i c 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 l 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 ． 收稿 日期 ： 2 0 1 1一 O l —O 5 基金项 目： 北京市教委科技发展项 目( K M2 0 0 7 1 0 0 1 6 0 0 5 ) 作者简介 ：张沙 ( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ，硕士研究生 ， 研究方 向：给水与废水处理理论 与技术 第 1 期 张 沙等 ：虹吸式屋面雨水排水系统设计软件 5 7 故称为 压力 流排 水 系统或 满管 流排 水 系统 连接 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 计算 1 ， 2 h r = A ( 1 ) “ zg 式中A ——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 G B 5 0 0 1 5 --2 0 0 3 《 建筑 给 排 水设 计规 范》 ， 采 用海 澄一 威廉 公式 计算 ： i =1 0 5 G- d i 盯Q ( 2) H =L i ( 3) 式 中 日 — — 管道 沿程 水 头损失 ， m —— 管 道单 位长度 水 头损 失 ， k P a ／ m —— 管道 长度 ， m C — — 管材 系数 d ， —— 管道 内径 ， m 众 多文 献推 荐使 用此 公 式 ， 如 文 献 [ 4 ] ， 但 由于 海 澄一威 廉 公式 主要适 用 于水 力 过 渡 区 V= 0 ． 9 m／ s的圆管满 管 紊 流 的一 个 很 窄 的 范 围 内 ， 当 流 速 距 离 0 ． 9 m ／ s 很远 时 须进行 C 的修 正 ， 而对 于虹 吸 ： 晷 = 吊管 V>1 ． 0 m ／ s ， 立 管设 计 流速 为 6 ． 0 m／ s >V> 2 ． 2 m ／ 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 ．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 ： 1 = _ 2 lg ( + 2 ． 5 1 ，／ ( 4 ) 式 中 △ —— 实 用管 道 的当量 粗糙 度 ， m d —— 计 算管 段 的 内径 ， m R e ——计算管径内流体 的的雷诺数 ， 无量纲 数 由于是 关 于 A 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》 确定计算约 束条 件 ： 1 ) 悬 吊管 流速 不得小 于 1 m ／ s ； 2 ) 立管 流速 不 得 小 于 2 ． 2 m ／ s ， 且 不 得 大 于 1 0 m／ s ， 宜小 于 6 m／ s ； 3 ) 排 出管流 速宜 小于 1 ． 8 m ／ s ； 4 ) 系 统 高 度 和 立 管 管 径 的 关 系 ： D N 3 m， DN1 0 0 mm， L>5 m； 5 ) 系统 最大 负压 ： 管 材为铸 铁 管或 钢时 为 一9 0 k P a ， 塑 料 管 D N 2 0 0 mm时 为 一 7 0 k P a ； 6 ) 各 管道 交 汇节点 压差 <1 5 k P a ； 7 ) 系统 出 口出的余 压 大于 1 0 k P a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 5 mi n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 5 8 北 京建 筑 工程 学院 学 报 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》 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 —i ； ’ 辨黑 螺 f ⋯f 一 一 * ⋯ 。 。 ． ^^●‘}^ i ⋯L‘ 一 Tt 日 - # t - l ⋯， ⋯ ⋯ ’ ⋯ Ⅲ 一 ， ’。 ⋯ ’ ⋯ ， ～ ⋯ ～． -$ ⋯。 ⋯ ．一 u ⋯ ． ⋯ ● 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 0 0 0 m ． 5 ra i n历时暴 雨强 度 ： q= 4 2 9 L ／ ( s 1 0 I l l ) 输 入 以上两值 ， 计算 为 Q=2 3 1 ． 6 6 L ／ s ， 算得 所 需 雨水 斗 数 量为 2 0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 第 1 期 张 沙等 ：虹吸式屋面雨水排水 系统设计 软件 5 9 9 l 0 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 1 3 ． 5 5 8 k P a 、 1 4 ． 3 6 9 k P a 、 1 7 ． 6 5 3 k Pa、 21 ． 8 6 5 k P a、2 5 ． 72 6 k Pa、 32 ． 3 6 3 kP a 、 4 0 ． 6 8 5 k P a 、 8 1 ． 8 4 8 k P a 、 8 8 ． 0 0 3 k P a 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 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 算人 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 ． [ 3 ] [ 4 ] f 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] f 9 J [ 1 0 ] 参 考文 献 ： [ 1 1 ] [ 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 ， 2 0 0 8 [ 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 ， 2 0 0 5 闻德荪 ． 工 程流 体力 学 ： 上册 [ M] ． 北京 ： 高 等教 育 出 版 社 ， 2 0 0 5 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 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 7～8 1 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 ， 2 0 0 8 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 ， 2 0 0 7 中华人 民共 和国国家 标准． G B 5 0 0 1 5 —2 o 0 3建筑 给排 水设计规范 [ M] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 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 ． 2 0 0 5 张常庆 ， 叶伯 铭． 材 料员 必读 [ M J ． 北京 ： 中国建 筑工 业 出版社 ． 2 0 0 5 刘炳文 ， 许蔓舒 ． V i s u a l B A S I C程序设 计教程 f M1 ． 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 陈锦 昌 ， 赵 明 秀 ， 张 国栋． V B计算 机 绘 图教程 [ M] ． 上海 ： 华 南理工大学出版社 ， 2 0 0 3 [ 责任 编辑 ： 王 克黎 ]