维普资讯 http://www.cqvip.com 中国给水排水 ２００２ Ｖｏ１．１８ ＣＨＩＮＡ ＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ Ｎｏ．１０ 一种新型滗水器的排水水力学模型及计算 顾剑峰 （上海船舶运输科学研究所，上海２００１３５） 摘 要： 介绍了一种新型滗水器，并对其排水过程的水力模型进行了研究，提出了在考虑管 道阻力损失的条件下计算滗水器排水流量和排水时间的理式，试验证明这些公式是正确的。 关键词：ＳＢＲ； 滗水器；水力学模型 中图分类号：Ｘ７０３．３ 文献标识码：Ｃ 文章编号：１０００—４６０２（２００２）１０—００６４—０４ 要排水的时候则将滗水口浸入液面。浮筒上的两个 滗水器是ＳＢＲ工艺的关键设备，为适应其序批 式处理的要求，滗水器必须在规定的时间内完成对 反应器内澄清水的自流排放。因此，在设计选型时 对滗水器进行排水量计算十分重要。 限位开关可以控制电机的启停和正反转。 该滗水器具有如下特点： ①阻渣效果可靠。在曝气、进水过程中滗水 口可完全离开液面，因而彻底切断了浮渣进入排水 管的途径； １新型滗水器介绍 该滗水器从功能上可分为两部分，一是浮筒自 平衡系统，其作用是实现滗水口高度随液位变化的 自动调节；二是摆动堰管系统，其作用是防止进水和 ②流动损失小。由于没有阀片等流阻较大的 部件，流动通道中的损失仅为沿程损失和弯头及三 通的损失，而流动阻力的减小可大大提高相同口径 管道的自流排水量； 曝气时产生的悬浮污泥进入排水管。 ①浮筒自平衡系统 由浮筒、排水支管、排水总管及回转轴管等部件 组成。回转轴管是一兼具旋转和通导流体作用的复 合机构。排水总管两端各与一个回转轴管相连，所 以排水总管可以自由转动，排水支管通过铰接连杆 与浮筒相连。当浮筒随液面升降而上下浮动时，堰 ③④驱动机构仅需使堰管上下摆动即可，因此 结构简单，易于制造。 电机功率较低、控制简单； ２排水过程的水力学模型 在建立水力学模型前先做如下基本假定： ①②水池或容器与排水管径相比足够大，排水 考虑管道内的局部损失和沿程损失，并假 过程可以按稳定流处理； 管上的滗水口也随之同步移动，所以无论液面在什 么位置，滗水口总是位于液面下，且与液面的距离基 本保持不变，该距离的大小可以通过调整堰管的旋 转角度加以调节。 ②摆动堰管系统 包括堰管、回转轴管、减速电机、同步带和带轮、 定他们的计算满足叠加原则； ③水池或容器的水平截面积为常量，不随高 度变化。 滗水器在自流状态下的排水过程可简化为如图 限位开关等部件。堰管两端各与一个回转轴管相 连，所以堰管可以自由转动，堰管上径向伸出一段扁 １所示的形式，点１为滗水口，液体流速为 … ３ 为排水出口，管径为Ｄ ，流速为Ｖ 。点１至点３包 平的矩形管口，即滗水口。排水时流体从滗水口进 入堰管，再经排水支管、排水总管流出。堰管的一侧 装有同步带轮，减速电机通过同步带驱动堰管转动， 从而带动堰管上的滗水口上下摆动（被抬高或者降 低）。在需要阻渣的时候将滗水口抬离液面，而在需 括了滗水器的管道、弯头、三通、阀门等所有管件。 设各段管道的管径、长度和流速分别为Ｄ，、Ｌ，和 ，沿程损失系数为 ，弯头、三通和阀门的局部损 失系数为Ｋ 。容器的水平截面积为Ａ ，液位（以点 ・６４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２ Ｖｏ１．１８ 中国给水排水 ＮＯ．１０ ３为零点算起的高度）用Ｙ来表示。假设在排水过 Ｖ３＝ （６） 程中，液位从 ．Ａ降到Ｙ 所需的时间为Ｔ，排出的 累积流量为∑Ｑ。 瞬时流量为： Ｑ： Ｄｊ・Ｖ （７） 将式（７）代人式（１），积分后可得液位从Ｌｖ 降 到Ｙ 所需的时间为： Ｔ ８Ａ （ 一 ） （８） 图１滗水器的排水过程 丁ｒＤ； 在排水时，设液面高度为Ｙ时的瞬时流量为 Ｑ，经过微元时间６ 后液面下降了６ ，则有： Ｑ。 ：一Ａ ’６ 因为∑Ｑ＝Ａ （Ｙ 一Ｙ ），故从式（８）中求出Ｙｎ 就可得到从液位高度Ｙ 开始排水ｆ秒后的累积流 量： 对上式从Ｙ 到Ｙ 进行积分，可得液面从Ａ点 降到Ｂ点的时间为： ∑Ｑ＝Ａ ・［Ｙ 一（、／／ＹＡ一 Ｔ— 含 面ｌ点到排水口３点应用伯诺里方程： ＋ ＋Ｚｌ＝ ＋Ｐ２ ＿（１） ８ＡＲ ） ］ （９） ＋∑ 因为水池与排水管径相比足够大，故液面降低 很慢，可按稳定流状态应用伯诺里方程。从自由液 ７＋ ３计算实例 滗水器（试验样机）的排水管径为５０ ｍｍ，图２ （２） 为样机排水管路图，其简化图见图３。 总沿程损失∑ ＝Ｅ（Ｌ・ Ｌｉ・ ），由连续性方 程得Ｖ；・Ｄ ＝Ｖ；・Ｄ ，故总沿程损失可写为： ＝Ｅ（Ｌ・ ）・ （３） 若忽略局部损失之间的相互影响，由叠加原理 得总局部损失为： ∑＾ ＝ＥＫ 。 Ｖ ３ （４） 图２样机排水管路图 式中∑Ｋ，为管道各处的局部损失折算到出口 流速 时的损失系数之和。 从滗水器人口点１至出口点７处的损失有：矩 形管口（点１）、三通（分支点２）、弯头（点３、３，）、弯头 又 Ｑ＝ Ｄ ・Ｖ Ｑ ＝ Ｄ Ｖ ｉ・ （（）５ ５）将式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）联立，考虑到Ｖ ＝ ０，Ｐｌ＝Ｐ３，Ｙ＝Ｚｌ—Ｚ３，则有： （点４，４，）、三通（汇合点５）、阀门（点６）、弯头（点７） 等处的局部水头损失（损失系数分别为Ｋ 、Ｋ 、 Ｋ ３、Ｋ４、Ｋ ５、Ｋ６、Ｋ７）和２—３—４—５、２—３ 一４ 一 ・６５・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２ Ｖ０１．１８ 中国给水排水 Ｎｏ．１０ ５ 、５—７等直线管段的沿程损失（损失系数为厂）。 考虑到样机管路对称、管径不变的特点，则式（７）、 （８）、（９）有如下结果： ，√表１是样机的实测数据和理论计算的比较，其 ，√ 中实测值为５次测量的算术平均值，理论值为按照 上述公式得出的计算值。 表１ 实测数据和理论计算的比较 ，√ 高度 瞬时流量Ｑ（ｍ３／ｈ） 累积流量２Ｑ（３） 排水时 间Ｔ（ｓ） （ｍ） 实测值 理论值 实测值 理论值 实测值 理论值 １．６３ １９．９９ １．５８ １９．６９ １．５３ １９．３８ １．４８ １９．０３ ３ ３ 一４ ４ ２０．１５ １９．８４ １９．５７ １９．２０ １８．８８ ｌ８．５５ ｌ８．２１ １７．８６ １７．５１ １７．１５ １６．７８ １６．４５ ０ ０．１９ ０．３９ ０．５８ ０．７８ ０．９７ １．１７ １．３７ １．５６ １．７６ １．９５ ２．１４ ０ ０．１９ ０．３６ ０．５８ Ｏ．７７ ０．９６ １．１５ １．３４ １．５３ １．７３ １．９１ ２．１０ ０ ３４＿８ ６９．８ ０ ３３．８ ６８．０ １０５．８ １０２．９ １４１．８ １３８．４ １７８．６ １７４．４ ２１６．２ ２ｌ１．２ ２５４．６ ２４８．６ ２９３．６ ２８６．８ ３３３．８ ３２５．７ ３７３．８ ３６５．５ ４１５．２ ４０６．２ １．４３ １８．７６ １．３８ １８．４２ １．３３ １８．０６ 图３滗水器排水简化图 Ｑ Ｄ （１０） ８ＡＲ １．２８ １７．７１ １．２３ １７．３６ 丁 １．１８ １７．０５ （ 一 ）（１１） １．１３ １６．６７ １．０８ １６．３０ １．０３ １５．９３ １６．０２ １５．６３ １５．２２ ２．３４ ２．５３ ２．７３ ２．３０ ２．４９ ２．６８ ４５８．２ ４４７．８ ５０１．４ ４９０．５ ５４６．０ ５３４．２ ∑Ｑ＝Ａ ［ 一（ ｔ・丁ｒＤ ０．９８ １５．５５ ０．９３ １５．１３ Ｏ＿８８ １４．７３ ０．８３ １４．２７ ０．７８ １３．８７ １４．８１ １４．３８ １３．９４ １３．４９ １３．０２ １２．５３ １２．０２ １１．４９ ２．９２ ３．１２ ３．３１ ３．５０ ３．７０ ３．８９ ４．０９ ４．２８ ２．８６ ３．Ｏ５ ３．２４ ３．４３ ３．６２ ３．８０ ３．９９ ４．１８ ５９１．２ ５７９．２ ６３８．４ ６２５．４ ６８６．６ ６７３．１ ７３５．８ ７２２．３ ７８８．０ ７７３．３ ８４１．０ ８２６．１ ８９７．０ ８８１．１ ９５４．６ ９３８．５ ８ＡＲ Ｏ．７３ １３．４１ Ｏ．６８ １２．９６ ０．６３ １２．５０ ０．５８ １２．０４ ０．５３ ｌ１．５１ 式中Ｄ——排水出口管径 Ｌ——点２到点５直管段长度之和 ∑Ｋ＝Ｋ １＋Ｋ ２＋Ｋ２５＋Ｋ５＋Ｋ６＋Ｋ７ （１３） 其中Ｋ ＝Ｋ ・（Ａ ／Ａ ） Ｋ ２＝Ｋ２・（Ａ５／Ａ２） 由表１可知，计算值与实测值的误差＜２％，这 说明计算公式是正确的，可以在工程设计中使用。 自流状态下的排水流量是滗水器的主要性能指 ／￣２５ ｚ （务 （Ｋ３＋厂 ＋Ｋ４） 式中Ｄ：一 和Ｄ 一 分别是２—５段和５—６段的 管径，Ｌ：一 是２—５直管段的长度。 标，对于管径相同的滗水器，排水量大则经济性高。 因此，滗水器的设计开发应追求用尽可能小的管径 实现尽可能大的排水量，对于流量＞１ ０００ ｍ。／ｈ的 大型滗水器更是如此。从式（１０）可以看出，增大管 试验用水槽的水平截面积（Ａ ）为３．７５ ｍ２，液 位的初始高度为１．６３ ｍ，结束高度为０．５３ １ＴＩ，即Ｙ ＝径和减小流动损失系数都可以增大瞬时流量；从式 （１１）也可发现，在容器横截面不变且液位高度一定 时，要想缩短排水时间，可通过增大排水管径和减小 管系流动损失系数来实现；而当管径及水头损失一 定时，在（ 一Ｙ ）不变即累积流量不变的条件下，使 １．６３ ｍ，Ｙ ＝０．５３ ｍ。根据文献［１］、［２］和［３］提 供的阻力损失系数的数据可以得出滗水器的Ｑ、丁 和∑Ｑ的表达式： Ｑ＝１５．７８６４￣ｙ 丁＝ 一—＿ ｆ （Ｌ、 ＹＡ一 ＹＢ）／一￣／ （￣／ｙＡ一￣／ｙＨ）值减小也可缩短排水时间。一般来说 当其他条件一定时，减小滗水器内部管系及整个排水 管路的流动损失是工程设计中需要着重考虑的问题。 ∑Ｑ＿３．７５［ （ 一 ） ］ ４结语 ６６・ ・维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２ Ｖｏ１．１８ ①②中国给水排水 京：煤炭工业出版社，１９８０． ＮＯ．１０ 该滗水器具有阻渣效果可靠、流动损失小、 在考虑管道阻力损失的条件下得出的滗水 电机功率较低、控制简单等优点，值得大力推广。 器排水的瞬时流量、排水时间随排水液位高度变化 的计算公式以及累积流量随排水时间的计算公式是 『２ Ｓｔｒｅｃｔｅｒ ｖ Ｉ ，Ｗｙｌｉｅ Ｅ Ｂ．周均长译．流体力学［Ｍ：北 京：高等教育出版社，１９８７． 『３］Ａ・Ｍ・库尔干诺夫，Ｈ・ ・菲得洛夫．郭连起译．给水排 水系统水力计算手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版 社．１９８３． 正确的，为滗水器的设计和选型提供了理论依据。 电话：（０２１）５８８５６６３８×２６７８（０）５８９５１５０７（Ｈ） 参考文献： ［１］白铭声，王维新，陈祖苏．流体力学及流体机械［Ｍ］．北 Ｅ ｍａｉｌ：ｇｕｊｆ＠１６３．ｃｏｉｎ 收稿日期：２００２—０４ ２８ ・技术交流・ 一种新型管道直饮水末端装置 以贮水箱代替了传统饮水机上的水桶，通过水 位控制器来控制给水管道上的电磁式水位控制阀以 实现向贮水箱的间歇性供水。 为使管道直饮水能够适应用户的不同饮水习惯 及在不同季节对水温的需求而研制了电磁阀式调温 型末端供水装置，其结构见图１。 电磁阀电源 ＡＣ２２０ Ｖ／５０ Ｈｚ或ＤＣ２４ Ｖ 在给水管上电磁阀的前后需安装球阀（常开）， 以便在电磁阀出现故障时能够切断水源并防止贮水 箱内的水倒流，此时可通过打开旁通管上的球阀（常 闭）为贮水箱手动供水。 ３贮水箱容积（Ｖ ）的确定 ①贮水箱的有效控制容积（Ｖ ）是指自上限 水位至下限水位之间的容积，可按人均饮用水量及 单机服务人数来选取，同时还要考虑以适当的缓冲 容积来避免电磁阀的频繁启闭以及贮水箱内一次性 存水时间过长，从而保证给水控制系统的良好运行 及贮水的新鲜度。 例如，单机服务人数按４人计算时，如按饮水量 为２ Ｌ／（人・ｄ）、电磁阀每日启闭一次（即贮水箱有效 控制容积的水量可供１ ｄ使用）计算，则Ｖ ＝８ Ｌ。 ② 贮水箱的上限空间高度（Ｈ ）的确定应考 图１装置示意图 虑溢流口设置位置的需要，并在此空间内安装超水 为满足用户的要求，可将其组装成内置式机型。 １水温处理主机 水温处理主机的工作原理和结构与传统的冷热 位报警器的信号检出装置（电极棒Ｅ．）。 ③贮水箱的下限保留水量高度（Ｈ ）的确定 应考虑常淹没电极棒Ｂ的需要。下限水位信号检 出装置为电极棒 。 ④在选取水位有效控制范围Ｈ 及横截面积 Ａ后，则可确定ＶＢ＝Ａ×（Ｈｕ＋Ｈ（．＋Ｈｌ ）。 （天津和信发展有限公司 卢宝来供稿） 型饮水机类似（采用压缩机或电子制冷技术及电热 管加热技术等，这里不再赘述），用户通过琴键式水 龙头可随时饮用热水或冷水。 ２给水控制系统 ・６７・
