APARTMENT | No.44 Hệ thống đường ống nước trong tòa nhà ( Phần 14)

Xin kính chào Quý độc giả! Ở số Tạp chí trước chúng ta đã cùng bàn luận về điều kiện dòng chảy không ổn định. Hôm nay, chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu về vấn đề này nhưng đi sâu hơn vào các ảnh hưởng của nó tới mạng lưới đường ống nước trong Tòa nhà. Từ việc nghiên cứu các ảnh hưởng này mà các chuyên gia đã đưa ra các phương trình tính toán từ đó có các giải pháp để giải quyết các bài toán này dựa vào công nghệ điện toán. Các giải pháp nổi bật như mô hình hóa mạng lưới, hệ thống thoát nước mưa Siphonic, các mô phỏng trên máy tính sẽ được chúng tôi đưa tới Quý vị trong số Tạp chí này. Đội ngũ chúng tôi mong rằng sẽ tiếp tục nhận được sự ủng hộ và đón đọc của Quý độc giả để có thể tiếp tục mang đến những sản phẩm chất lượng hơn nữa.

Xin chân thành cảm ơn!

Lê Hoàng

Phó Tổng biên tập

06. Phương pháp hàm đặc trưng được áp dụng để mô hình hóa quá độ áp suất không khí biên độ thấp trong hệ thống thông hơi thoát nước

12. Mô hình hóa mạng lưới

16. Tăng áp suất trong mạng lưới cấp nước

28. Hệ thống thoát nước mưa Siphonic

Phương pháp hàm đặc trưng

áp dụng để mô hình hóa quá độ áp suất không khí biên độ thấp trong hệ thống thông hơi thoát nước

Cơ chế cơ bản xác định chế độ áp suất không khí trong các hệ thống thoát nước và thông gió của tòa nhà là sự hút không khí được tạo ra bởi màng nước hình khuyên chảy xuống trong các ống xả thải dọc của hệ thống. Trong điều kiện ổn định, dòng nước tạo ra luồng không khí cuốn theo ổn định dẫn đến giảm áp suất ma sát trong các phần khô của ống xả thải và ngăn tách tổn thất khi luồng không khí được hút qua các tấm màn nước hình thành tại các điểm xả tập trung và ở đáy ống xả thải. Bất kỳ sự thay đổi nào trong dòng chảy xuống hình khuyên sẽ dẫn đến nhu cầu thay đổi đối với dòng không khí bị cuốn theo và điều này sẽ được thông báo cho toàn bộ hệ thống dưới dạng quá độ áp suất không khí biên độ thấp.

Bất kỳ sự cản trở nào đối với luồng không khí, chẳng hạn như lưu lượng nước quá tải của ống xả thải sẽ tạo ra sự chuyển tiếp lớn hơn lan truyền khắp mạng lưới, thông tin sự thay đổi này trong các điều kiện hệ thống. Mối quan tâm chính trong tất cả các phân tích chuyển tiếp áp suất không khí là việc bảo quản các lớp nước của xi phông trong thiết bị được kết nối với mạng lưới thoát nước. Sau khi được lan truyền, bất kỳ sự chuyển tiếp nào sẽ được truyền đi và phản xạ lại trong hệ thống cho đến khi nó suy yếu hoặc cho đến khi sự thay đổi trong điều kiện hệ thống làm mất tác dụng của nó.

4,0 m từ đầu thượng lưu

0,0 m từ đầu thượng lưu

6,0 m từ đầu thượng lưu

8,0 m từ đầu thượng lưu

Độ sâu tối đa dự đoán từ 5 đến 6 m tính từ đầu thượng lưu của máng nước

Dòng chảy vào kênh ngang l/s/m

Cửa xả của máng xối, Điều kiện độ sâu tới hạn được giả định tại đầu ra của máng nước

Áp đặt dòng chảy vào kênh ngang tới máng nước

Hình 9.21: Độ sâu dòng chảy phụ thuộc vào thời gian trong kênh tiết diện hình thang, đáy 0,1 m, dốc nghiêng 45 độ, dài 10 m tại độ nghiêng 0,001. Manning n 0,009

Sự lan truyền của sự truyển tiếp áp suất không khí có thể được mô hình hóa bằng cách áp dụng phương trình hàm đặc trưng. Phương pháp luận giống hệt với những gì đã được thảo luận, tùy thuộc vào mô phỏng của sự lan truyền nhất thời trong toàn bộ hệ thống và sự biểu thị của các ranh giới hệ thống một lần nữa là chìa khóa để mô hình hóa thành công. Các đường ranh giới có thể bao gồm các đầu ống mở ra khí quyển, có và không có tổn thất cục bộ, các điểm nối của hai hoặc nhiều ống dẫn, có hoặc không có màng nước hình khuyên, kết thúc với một lớp nước giữ của xi phông, van giảm áp và mối liên kết thiết yếu giữa dòng chảy xuống hình khuyên trong ống xả thải và dòng không khí bị cuốn vào.

(i) Điều kiện biên mạng lưới Hình 9.1 (xem lại số trước) minh họa phương pháp chung của hàm đặc trưng, cụ thể là các nút bên trong được xử lý bằng nghiệm đồng thời của hai đặc trưng có sẵn, trong khi tại một biên chỉ có một phương trình đặc trưng mà phải được giải bằng một phương trình biên phù hợp. Các phương trình biên thường liên kết vận tốc dòng chảy cục bộ với áp suất hoặc thời gian, ví dụ, cổng đầu cuối hở sẽ được biểu thị bằng áp suất khí quyển hoặc hệ số tổn thất tập trung: (9.9)

Trong đó vận tốc không khí tuyệt đối đảm bảo rằng sự chênh lệch áp suất luôn âm theo chiều dương. Các điểm nối của hai hoặc nhiều ống dẫn được báo lại bằng tính liên tục của dòng chảy và lưu ý rằng, trong trường hợp không có bất kỳ tổn thất áp suất cục bộ nào, áp suất không khí tại điểm giao nhau sẽ giống nhau đối với tất cả các ống nối. Nếu đường giao nhau có nhánh nằm ngang tích cực xả tới ống xả, thì tổn thất áp suất không khí do màng nước được kết hợp dựa trên các biểu thức thực nghiệm liên kết các dòng nước nối, hình học của đường giao nhau và luồng không khí cuốn theo. Giải pháp của các mối quan hệ này với các đặc trưng có sẵn tại mỗi điểm kết thúc đường ống cho phép dự đoán tất cả các điều kiện áp suất và vận tốc chưa biết.

Trong trường hợp nhánh cụt, vận tốc bằng không tại nhánh cụt cung cấp điều kiện biên.

(ii) Các điều kiện biên dịch chuyển - Phản ứng lớp nước chặn trong xi phông Lớp nước giữ của xi phông có khả năng dịch chuyển để đáp ứng với sự dao động áp suất tại mặt phân cách không khí với nước là một biên phổ thông. Phản hồi của bẫy được mô tả bởi công thức: p(j, n(j) + 1) - pref + ρw[H1 - H0 - L(4f Uw | Uw|/2D - AdU w /dt)] = 0 (9.10) trong đó A là diện tích mặt cắt ngang của xi phông, đường kính D, L là chiều dài cột chất lỏng, K1 và K0 là độ cao bề mặt nước trên một mốc tùy ý, psystem và pref là áp suất không khí tác dụng lên chất lỏng trong xi phông, có tỷ trọng ρw , f là hệ số ma sát thích hợp và U w là vận tốc cột chất lỏng. Lưu ý rằng cần giảm chiều dài của cột nước L nếu nước trong xi phông tràn qua lối vào cống. psystem phụ thuộc vào các điều kiện chuyển tiếp tại mặt phân cách của ống và xi phông, được đưa vào thông qua đặc trưng lối ra của ống nhánh.

Như một ranh giới, van có thể được mô tả như một tổn thất lối vào/lối ra biến đổi, giá trị của hệ số tổn thất phụ thuộc vào mức độ mở của van, mà mỗi lần mở được xác định bởi chênh lệch áp suất qua van.

(iii) Van tiếp nhận không khí Van tiếp nhận không khí (AAV) là một công trình mà các nhà khoa học phát triển gần đây để lắp ở phía trên cùng của ống xả đứng nhằm tránh việc cần phải xuyên qua mái nhà hoặc như một phương tiện bảo vệ các nhóm thiết bị khỏi xi phông lắp vào. Trong khi vận hành, van cho phép không khí đi vào ống xả đứng miễn là áp suất ống xả nhỏ hơn một chút so với áp suất khí quyển, và đóng lại nếu áp suất ống xả tăng lên trên một giá trị âm nhỏ để ngăn không khí và mùi hôi thoát ra khỏi ống xả. Về mặt lý thuyết, van tiếp nhận không khí giải quyết được nhiều vấn đề truyền thống về sự cạn kiệt lớp nước ngăn mùi trong xi phông, tuy nhiên, nó là một thiết bị cơ học và có thể bị hỏng nếu thời gian sử dụng bị kéo quá dài. Ngoài ra, khi AAV tắt để ngăn mùi xâm nhập vào không gian sinh hoạt, nó không thể thông áp suất dương được tạo ra trong mạng do quá tải. Điều này đã là một trở ngại lớn cho việc sử dụng rộng rãi hơn và được chấp nhận bởi các quy định.

Như một ranh giới, van có thể được mô tả như một tổn thất lối vào/lối ra biến đổi, giá trị của hệ số tổn thất phụ thuộc vào mức độ mở của van, mà mỗi lần mở được xác định bởi chênh lệch áp suất qua van. Hình 9.22 minh họa cơ chế chung. Van vẫn đóng miễn là áp suất trong ống thông hơi đường ống xả không đủ để vượt qua lực thể tích của vách ngăn. Khi vách ngăn nâng lên, nó có thể tự do nâng lên cho đến khi van mở hoàn toàn. Tương tự, vách ngăn có thể "lơ lửng" ở mức giữa, phụ thuộc vào lịch sử thời gian áp suất trong ống xả. Do đó, điều kiện biên đái diện cho giá trị có thể được biểu thị bằng một chuỗi ba phương trình đơn giản.

Van đóng : uexit = 0.0 (9.11)

Van mở một phần : patm - pexit = K0.5 u2 (9.12) Van mở hoàn toàn : patm - pexit = Kmin0.5 u2 (9.13)

mà có thể được giải bằng hàm đặc trưng thích hợp (Kmin là hệ số tổn thất thích hợp cho van mở hoàn toàn). Hình 9.23 minh họa sự thay đổi của các giá trị K với chênh lệch áp suất cho một loạt các loại van (Swaffield và Campbell 1992), xác định đặc trưng van 'tốt'. Hệ số tổn thất phải thấp để tránh áp suất hút quá cao trong ống xả, tuy nhiên, vách ngăn của van không được quá thiếu tải vì điều này sẽ dẫn đến hiện tượng rung, tức là các hành động đóng và mở luân phiên nhanh chóng để đáp ứng với sự chuyển tiếp của hệ thống. Áp

Có thể áp dụng một phân tích tương tự cho các thiết bị cải tiến khác, chẳng hạn như van khô ngăn mùi (waterless trap) minh họa trong các hình 9.24 và 9.25. Ở đây áp lực nước sẽ giữ cho màng bọc mở ra để cho phép nước xả đi qua. Áp suất không khí dương trong nhánh được kết nối sẽ làm màng bọc khép lại và không cho phép mùi đi qua. Tuy nhiên, nếu áp suất nhánh giảm xuống dưới mức khí quyển và nếu đường thoát nước của thiết bị không ở đúng vị trí, vỏ bọc sẽ mở ra cho phép không khí vào mạng lưới thoát nước. Do đó, van khô ngăn mùi được minh họa cũng là một van tiếp nhận không khí hiệu quả cao mà đường cong hệ số tổn thất (hình 9.23) sẽ nằm ở phần dưới bên phải của biểu đồ.

Áp suất âm trong đường ống truyền tới khoang ở trên thông qua trục giá đỡ thông gió

Áp suất giảm ở khoang trên sẽ nâng màng ngăn lên, đủ cứng để tránh bị uốn cong.

Khoang trên

Không khí tràn vào đường ống, loại bỏ một phần áp suất âm. Màng ngăn ‘nổi’ ở vị trí cân bằng.

Hình 9.22 Sơ đồ van tiếp nhận không khí – trạng thái mở

Giátrịtốthơn

Hình 9.23 Sự thay đổi hệ số tổn thất K với áp suất áp dụng để lựa chọn van tiếp nhận không khí điển hình

(iv) Sự lan truyền chuyển tiếp áp suất dương

Sự chuyển tiếp áp suất không khí dương có thể được đặt trong mạng lưới thoát nước và thông hơi bất cứ khi nào có sự đóng hoàn toàn hoặc một phần đường dẫn khí qua mạng lưới đường ống. Việc đóng đường dẫn như vậy có thể xảy ra do làm quá tải cống thu gom ở đáy của ống xả thẳng đứng hoặc do làm quá tải một ống nhánh nối với ống xả đứng bởi xả nước từ thiết bị. Mối quan hệ Joukowsky xác định sự thay đổi áp suất do việc ngừng dòng chảy tức thời được áp dụng như sau:

Tốc độ dòng khí 1 m/s với khối lượng riêng 1,2 kg/m3 và tốc độ sóng 325 m/s sẽ tạo ra một khoảng dừng chuyển tiếp tại vị trí đóng là 390 N/m2 hoặc mực nước 40 mm. Sự chuyển tiếp này sẽ lan truyền trong toàn bộ mạng lưới và sẽ được phản xạ hoặc truyền ở mỗi đường biên. Một đầu cuối mở sẽ có hệ số phản xạ là -1, do đó tạo ra một sự hạ tải tạm thời. Một đầu đóng, ví dụ như một van tiếp nhận không khí đang đóng để phản ứng với sự xuất hiện của sự chuyển tiếp

dương, sẽ có hệ số phản xạ là +1 tạo ra áp suất dương tăng cường trong ống xả. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các giá trị Joukowsky này sẽ chỉ đạt được nếu việc đóng dòng diễn ra trong ít hơn một chu kỳ đường ống, đây là thời gian cần thiết để một chuyển tiếp đi từ vị trí đóng đến biên phản xạ chính đầu tiên và quay trở lại, trong trường hợp này là đỉnh ống xả đứng. Do đó, chu kỳ ống cho chiều cao ống xả L có thể được xác định như sau:

Tp = 2L/c (9.15)

Các tác động của việc đóng đường dẫn khí tại điểm giao giữa ống nhánh với ống xả chồng hoặc tại chỗ bù chồng phức tạp hơn. Phần trên của ống xả chịu chuyển tiếp áp suất dương trong khi phần dưới của ống xả chịu chuyển tiếp bằng nhưng âm. Mô phỏng có thể giải quyết tình trạng này bằng cách xác định lại vận tốc không khí ở hai bên của việc đóng cửa bằng 0 trong suốt thời gian tắc nghẽn. Điều này ngụ ý việc tách mạng lưới thành các phần bên trên và bên dưới phần đóng, tuy nhiên, nếu việc đóng được giả định xảy ra tại một đường giao nhau đã được mô hình hóa thì điều này không làm tăng độ phức tạp của mô hình. Khi quá trình đóng được chuẩn bị kết thúc, được biểu thị bằng khoảng thời gian lưu lượng nước cao nhất trong nhánh hoặc cống thu gom ở đáy của ống xả, các điều kiện ranh giới cục bộ sẽ trở lại những điều kiện tại chỗ trước khi đóng.

Trong ống xả phía dưới chịu tác động chuyển tiếp âm có thể xảy ra tình trạng cạn kiệt niêm phong bẫy ngay lập tức. Điều này có hiệu quả biến ranh giới bẫy thành một đường ống mở khiến nó trở thành một lỗ thông hơi. Vì phương pháp dựa trên đặc trưng xử lý từng ranh giới riêng biệt nên mô hình có khả năng tự động đối phó với tình huống này, các mô phỏng sau sẽ chứng minh cho điểm này. Tương tự như vậy, một khi áp suất dương thoáng qua đã đặt bẫy nước vào thiết bị, ranh giới này cũng trở thành một lỗ thông hơi, dù sao thì một lỗ thông hơi có hệ số tổn thất cao và không được lập mô hình rõ ràng.

Khí đi vào

Nước đi qua

(a)

Van đóng

Van mở

Van mở

Van đóng

Thiết bị đã đóng do không có dòng chảy qua hoặc áp suất dương ở hạ lưu

Van mở

Van mở

Thiết bị mở do áp suất âm ở hạ lưu - thiết bị hoạt động như một AAV

(b) (c)

Dòng nước chảy qua giữ cho lớp màng mở

Hình 9.25 Hoạt động của van khô ngăn mùi Hepworth, minh họa cách lắp bên trong của vỏ bọc và phản ứng với dòng chảy và chế độ áp suất không khí trong mạng lưới thoát nước

Mô hình mạng lưới Vấn đề trọng tâm trong việc phát triển mô phỏng hệ thống thông hơi là mối liên hệ giữa luồng khí đi xuống hình khuyên và luồng không khí cuốn vào vì điều này xác định phản ứng của chế độ áp suất mạng lưới đối với những thay đổi trong việc sử dụng hệ thống. Các phương trình đặc trưng chứa một thuật ngữ ma sát thường có hàm dự kiến là dòng đối nghịch và cuối cùng góp phần vào sự suy giảm thoáng qua. Tuy nhiên, trong trường hợp này, ta có thể tận dụng ma sát để tạo ra luồng không khí với sự hệ liên kết giữa luồng không khí, luồng nước hình khuyên và các thông số hệ thống đã được phát triển. Chương 8 đã đặt ra cơ sở cho điều này khi tổng tổn thất trong hệ thống được biểu thị bằng công thức: ∆ptổng = ∆pđầu vào + ∆pma sát ống khô + ∆pđiểm giao ống nhánh + ∆páp suất ngược (9.16)

"Động lực" để cuốn theo luồng không khí này và bù đắp cho những "tổn thất áp suất" này có nguồn gốc từ lực cắt giữa lớp nước hình khuyên và không khí trong phần ướt của ống xả. Do đó, hệ số ma sát 'âm' có thể tạo ra áp suất tăng tương đương với giá trị từ phương trình (9.16). Nghiên cứu đang thực hiện (Jack 2000) đã xác định được định dạng và các mối quan hệ chi phối sự biểu diễn lực cắt này và cho phép dự đoán phản ứng nhất thời của mạng ống xả đối với các biến thể của dòng nước được áp dụng. Do đó, hệ số ma sát thích hợp cho mỗi vùng bên trong ống xả phụ thuộc vào dòng nước tương đối và dòng khí cuốn vào, như được minh họa trong hình 9.26, được đặc trưng bởi vận tốc trung bình của dòng khí Va và vận tốc đầu cuối màng nước hình khuyên Vt1. Khái niệm tăng hoặc giảm áp suất lõi không khí phụ thuộc vào mối quan hệ giữa Va và Vt1 được thảo luận chi tiết hơn trong các số trước.

Việc xác định liên kết ma sát ‘tiêu cực’ cho phép phát triển đầy đủ mô phỏng hệ thống thông hơi, AIRNET. Hình 9.27 minh họa mạng lưới thoát nước bốn tầng chịu sự xả UC đồng thời trên mỗi tầng với dòng chảy kết hợp tiếp theo tại đế ống xả. Dòng chảy hình khuyên giảm xuống sẽ tạo ra các chuyển tiếp áp suất và có thể đủ để làm cạn một miếng bịt kín của thiết bị - sau đó đóng vai trò như một đường dẫn dòng khí giảm bớt. Ngoài ra, dòng nước có thể đủ để tạo ra phụ phí ở đế ống xả. Hình 9.28 minh họa trường hợp đầu tiên.

Khi lưu lượng nước tăng lên, luồng không khí bị cuốn theo tăng lên và áp suất hệ thống giảm xuống. Ở lưu lượng nước cao nhất, đoạn ống chắn bẫy cấp độ 2 bị cạn do xi phông gây ra và các dấu vết minh họa cho bẫy hoạt động như một van xả. Trong trường hợp phụ thu ở đế ống xả (hình 9.29), luồng không khí dương được ghi lại thông qua bẫy đã lắp ráp. (Lưu ý rằng luồng không khí tiêu cực trong các kết quả này là chảy xuống ống xả từ khí quyển đến cống rãnh.)

Trong ống khô:

=> hệ số ma sát dương

=> áp suất giảm

Vận tốc cuối, ống nhánh hoạt động

Vận tốc cuối,

Active

Trong ống xả ướt:

=> hệ số ma sát âm => áp suất tăng

=> hệ số ma sát dương => áp suất giảm

Trong ống xả ướt:

=> Hệ số ma sát âm => Áp suất tăng

Tới đường cống chính

Hình 9.26 Định nghĩa ứng dụng hệ số ma sát thông qua hệ thống ống xả đơn chịu nhiều lần phóng điện đồng thời

Lưu lượng, l/s

Hình 9.27 Các dòng chảy xuống hàng năm ở mỗi tầng đối với hệ thống ống xả đơn bốn tầng

Ống xả khô tới mái 10m

Độ cao giữa các tầng 3m

Toàn bộ ống nhánh 2m

Toàn bộ xi phông 50mm

Toàn bộ đường ống đường kính 100mm

Một bồn cầu 9l được giả định xả ở thời gian bằng 0 ở mỗi tầng

Lưu lượng được dự đoán ở đáy của từng phần ống xả giữa các tầng và ở đáy ống xả

Thời gian, s

Hình 9.28 Luồng không khí thoát ra trong ống xả thẳng đứng và qua nhánh cấp 2 sau khi thất thoát khí bẫy

Mất trong nước xi phông mức độ 1

Dòng khí đi vào, l/s

Dóng khí qua điểm cuối của mái

Thời gian, s

Dòng khí qua xi phông cạn

Dòng khí qua đáy ống xả

Lưu ý rằng luồng không khí ở đáy của ống xả là tổng hợp của luồng không khí từ cuối mái nhà và luồng không khí qua xi phông kiệt nước. Điều này cho phép xác định thời gian cạn nước trong xi phông.

Dòng khí qua xi phông mức độ 1

Dòng khí vào, l/s

Dòng khí qua điểm cuối mái

Dòng khí qua xi phông cạn ở mức độ 2

Dòng khí ở đáy ống xả

Thời gian, s

Hình 9.29. Luồng không khí đi vào trong mạng, minh họa ảnh hưởng của phụ phí ở đáy ống xả

Tăng áp suất trong mạng lưới cấp nước Sự gia tăng áp suất là bình thường trong tất cả các hệ thống vận chuyển chất lỏng khi điều kiện trạng thái ổn định bị gián đoạn. Áp suất tăng cường do sự nén của không khí ban đầu bên trong đường ống khô, ngay cả khi hệ thống được lắp các van xả bên ngoài. Nén khí cho phép cột nước tăng tốc trước khi đưa về trạng thái nghỉ khi áp suất khí và áp suất cuối cùng được tạo ra có thể phá hủy mạng lưới chất lỏng cục bộ. Tài liệu bao gồm các cuộc điều tra về vòi phun khô và vòi phun nước (Lawson và cộng sự 1963, Hope và Papworth 1980) trong khi một lỗi hệ thống chuyên môn hơn, cụ thể là sự nứt vỡ dữ dội của các ống dẫn nước do sự tương tác giữa các sên của không khí bị cuốn vào trong nguồn cấp nước và các cơ chế van xả thường được tìm thấy trong các cơ sở lắp đặt nội địa và thương mại của Hoa Kỳ, đã được báo cáo và mô phỏng bằng cách sử dụng các kỹ thuật đã được thảo luận (Ballanco 1999).

Hình 9.30 minh họa nguồn tạo ra chuyển tiếp cho trường hợp mồi đường dây khô, bao gồm ống nâng khô thẳng đứng và thiết bị vòi phun nước hoặc vòi cấp nước nằm ngang. Việc mở van cung cấp để kết nối nguồn cao áp với đường rỗng, hoặc với đường rỗng kết thúc bằng van mở sẽ cho phép áp suất cung cấp tích lũy cột nước qua hệ thống một cách hiệu quả mà không có hoặc không có lực cản. Không khí thoát ra qua van mở, hoặc qua bất kỳ van xả đầu cuối nào, sẽ chịu hệ số tổn thất thấp ở thiết bị đầu cuối do mật độ không khí tương đối thấp so với cột nước tiếp cận. Cuối cùng cột nước bị giảm tốc nhanh chóng do nén khí bị mắc kẹt hoặc do nó đến van kết thúc, hệ số tổn thất hiệu quả của nó sẽ tăng gần một nghìn lần khi chất lỏng chuyển tiếp là nước chứ không phải không khí. Sự gia tăng áp suất dương kết quả có thể đủ để gây ra sự cố nghiêm trọng của hệ thống cung cấp - hầu hết có thể là ở bất kỳ khớp nối ống nào. Hình 9.31 minh họa dạng lan truyền chuyển tiếp áp suất được mong đợi trong những trường hợp như vậy.

Mô tả ở trên cũng áp dụng cho điều tra đứt gãy UC nhằm giải quyết sự lan truyền tĩnh mạch, đây là kết quả của việc sên không khí không thông qua UC khi xả bằng van xả kết nối với nguồn nước. Hình 9.32 mô tả dạng của bài toán với phương pháp lưới đặc tính và điều kiện biên được xếp chồng lên nhau. Hình 9.33 và 9.34 minh họa sự lan truyền thoáng qua dự kiến trong ba trường hợp - chỉ có nước xả và nước cộng với sên không khí có và không có van xả được đặt để mở ở bội số của áp suất dòng. Khả năng hỏng hóc nghiêm trọng của UC được chỉ ra rõ ràng và tình trạng có thể thoáng qua sau gãy được minh họa cho trường hợp không có van giảm áp. Cuộc điều tra trong phòng thí nghiệm do Ballanco (1999) báo cáo bao gồm chụp ảnh tốc độ cao của UC đứt gãy trong các điều kiện được kiểm soát. Hình 9.35 minh họa một sự cố nghiêm trọng của UC khi cột nước được tăng tốc bởi luồng không khí không được thông gió qua thiết bị bị giảm tốc nhanh chóng khi đi vào vành UC. Ban đầu không khí được dẫn ra khỏi hệ qua vành UC ‘thổi’ bát nước ra khỏi UC, sự xuất hiện của cột nước dẫn đến sự hỏng hóc nghiêm trọng của đồ gốm - các mảnh gốm có thể được xác định trong các hình ảnh sau.

Áp lực bể chứa 700kN/m2 Áp lực ban đầu trong ống dẫn 100kN/m2 Mở van trong 0.02s

Không khí bị giữ Ống đường kính 20

Hình 9.30 Không khí bị mắc kẹt ở cuối một ống dẫn kín để biểu thị điều kiện biên thoáng qua trong hệ thống đầu phun khô và đầu phun nước

Hệ thống thoát nước mưa Siphonic Trong 30 năm qua, ngày càng nhiều diện tích mái công nghiệp và thương mại được thoát nước bằng hệ thống thoát nước siphonic. Ví dụ về hệ thống thoát nước siphonic có thể được tìm thấy trong nhiều tòa nhà có uy tín hoặc địa vị trên thế giới, ví dụ như Sân vận động Olympic Sydney, Sân bay Hong Hong và trong UH tại Sân bay Stanstead và Sân vận động Murrayfield ở Edinburgh. Sự gia tăng sử dụng phần lớn là do có nhiều lợi thế được nhận thấy so với các hệ thống đồng bộ. Tuy nhiên, vẫn có những điều chưa chắc chắn về cơ chế hoạt động của các hệ thống này, đặc biệt là trong giai đoạn loại bỏ không khí ban đầu và giai đoạn mồi. Việc thiếu hiểu biết cơ bản về tính chất nhất thời của hoạt động hệ thống khiến việc xác định lỗi trở nên khó khăn. Ngoài ra, vì thiết kế hệ thống đòi hỏi trình độ chuyên môn cao hơn so với các hệ thống đường ống máng xối thông thường, nên hiệu suất của chúng có thể dễ bị thất bại do thiết kế không chính xác và các giả định sai lầm.

Hệ thống thoát nước mái thông thường đặc biệt bao gồm các cửa xả rãnh hở được kết nối với các ống dẫn nước mưa thẳng đứng được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở áp suất khí quyển với lõi không khí được cuốn vào liên tục.

Thành phố dòng chảy của một hệ thống thông thường được xác định bởi kích thước của các cửa xả và độ sâu của máng xối - thường tối đa là khoảng 100 mm. Ngoài ra, bất kỳ công trình đường ống nằm ngang nào đều phải có độ dốc đảm bảo hoạt động tự làm sạch. Một hệ thống siphonic tương đương sẽ có công suất dòng chảy cao hơn đáng kể khi công trình đường ống chảy đầy lỗ khoan và đầu dẫn động trở nên bằng khoảng cách thẳng đứng giữa cửa xả trên mái và điểm xả. Hệ thống siphonic thoát nước trên mái nhà thường bao gồm một cửa xả máng xối được thiết kế đặc biệt (hình 9.36) được kết nối với điểm xả ở hoặc dưới mặt đất. Hệ thống đường ống kết nối sẽ được thiết kế để chạy đầy đủ theo điều kiện lượng mưa cụ thể, được xác định về cường độ và có thể là thời gian. Bất kỳ cơn bão nào dưới ngưỡng này sẽ dẫn đến điều kiện dòng chảy không ổn định trong hệ thống. Bão vượt quá điều kiện thiết kế sẽ dẫn đến ngập lụt trừ khi dòng chảy vượt mức được tái định hướng Công suất cao hơn mà hệ thống siphonic đạt được mang lại những lợi ích sau khi so sánh các hệ thống này với các hệ thống thông thường:

• yêu cầu ít đầu ra hơn;

• đường ống đường kính nhỏ hơn;

• một số đầu ra có thể kết nối với mỗi ống xả thẳng đứng;

• dòng chảy đầy đủ được điều khiển bởi một vi sai đầu cao mang lại sự linh hoạt của tuyến đường và loại bỏ gradient và hạn chế dòng chảy tự làm sạch;

• định tuyến hệ thống đường ống ở tầng cao để lấy các đầu ra của máng xối tuần tự, giảm yêu cầu về mặt đất.

Các nhược điểm chủ yếu liên quan đến việc thiết lập các điều kiện mồi - bị hạn chế ở một cường độ bão thiết kế và cần đảm bảo rằng điều kiện siphonic không bị mất trong nhiều hệ thống cửa ra nếu tốc độ dòng chảy từ mỗi cửa ra không được cân bằng động để đảm bảo không có sự xâm nhập của không khí. các phần mái khác nhau được thoát nước. Nếu cơn bão thiết kế không đủ nghiêm trọng, lũ lụt có thể xảy ra; nếu cơn bão thiết kế quá nghiêm trọng thì mạng có thể không bao giờ hoạt động tốt và vì hành động siphonic sau đó sẽ không xảy ra các mối quan tâm truyền thống về việc tự làm sạch và tắc nghẽn do trở lại của lá và các chất cặn bã khác. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng dưới 40% công suất của hệ thống đã được sơn lót, các hệ thống thoát nước đơn hoạt động như hệ thống thoát nước mái thông thường. Trên 40% tình trạng dòng chảy không ổn định chiếm ưu thế. Nói chung, cần có thiết kế chính xác hơn và hiểu biết về hoạt động của hệ thống khi xác định các tiêu chuẩn bảo trì.

Việc mồi một phần và hỏng điều kiện xi phông cũng có thể là một khó khăn vì điều này có thể dẫn đến rung động hệ thống và các vấn đề về tiếng ồn có thể xảy ra. Quy định kỹ thuật thấp về độ dày của thành ống có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng do hệ thống đường ống bị nổ (Bowler và Arthur 1999). Người ta thường không đánh giá cao rằng hệ thống siphonic hoạt động đúng cách sẽ tạo ra áp suất thấp hơn khí quyển.

1.

Do đó, những thách thức trong việc lập mô hình hệ thống thoát nước mưa siphonic xoay quanh vấn đề thiết lập và duy trì các điều kiện siphonic trong các hệ thống đã được mồi đầy đủ. Hình 9.37 và 9.38 minh họa cả giàn thử nghiệm hệ thống nước mưa siphonic hai mái - đầu ra và các cơ chế cần thiết để sơn lót. Trình tự của các sự kiện trong một cơn bão mô phỏng có thể được tóm tắt như sau (Uright et al. 2001):

Bề mặt tự do chảy trong cả máng xối và đường ống hệ thống với dòng chảy hình khuyên trong ống xả thẳng đứng.

Khi tốc độ dòng chảy tăng, một bước nhảy thủy lực hình thành ngược dòng của điểm nối ống trong cả hai đường ống. Dòng vào ngày càng tăng dẫn đến dòng chảy đầy đủ tại đường giao nhau lan truyền xuống phía hạ lưu về phía ống xả thẳng đứng.

Khi dòng chảy đầy lỗ khoan đạt đến sự giảm áp của hệ thống xảy ra, làm tăng dòng chảy vào hệ thống từ các cửa xả của máng xối và thiết lập dòng chảy đầy đủ ở đầu mỗi nhánh - giữ lại các túi khí trong cả hai đường ống.

5.

Cả hai túi khí đều quét xuống phía dưới. Trong trường hợp phòng thí nghiệm khi túi ở nhánh 1, hình 9.37, chạm tới ống xả thẳng đứng, nó gây ra hiện tượng tái áp suất tạm thời kéo dài cho đến khi không khí thoát ra khỏi hệ thống ở đế ống xả. Trong trường hợp túi nhánh 2, ống này bị phá vỡ khi đi qua đường giao nhau và không ảnh hưởng đến mức áp suất của hệ thống khi đến ống xả.

6.

Khi không khí đã thoát ra ngoài, áp suất hệ thống vẫn ổn định và hệ thống hoạt động ở điều kiện thiết kế của nó.

Hình 9.39 minh họa độ sâu tiêu biểu của máng xối và mức áp suất đường ống trong quá trình sơn lót đã thảo luận. Những kết quả này tương tự như kết quả thu được trong một cuộc điều tra đầu ra đơn lẻ trước đó bao gồm việc phát triển phương pháp mô phỏng đặc điểm của các sự kiện được thảo luận cho trường hợp đầu ra đơn giản hơn. Hình 9.40 trình bày các áp suất hệ thống được ghi lại tại một dòng chảy tương ứng với 42% công suất thiết kế, xác nhận bản chất dao động của dòng chảy tại các điều kiện bão này, trong khi hình 9.41 minh họa sự thỏa thuận giữa các áp suất đo được và dự đoán trong sự kiện mồi, bao gồm cả giai đoạn tái điều áp tác động đến túi khí bị mắc kẹt đạt đến ống xả thẳng đứng (Arthur và Swaffield 2001).

Điều cần thiết là các phép đo trong phòng thí nghiệm và phát triển mô phỏng phải được kết hợp với thử nghiệm tại hiện trường để xác nhận và xác nhận cả các mô hình cũng như sự hiểu biết về các cơ chế dòng chảy liên quan. Ví dụ về những gì được yêu cầu, hình 9.42 minh họa tốc độ và áp suất dòng chảy của hệ thống tại tòa nhà Lưu trữ Quốc gia Scotland được trang bị hệ thống nước mưa siphonic sử dụng đường ống nhỏ có đường kính 50 mm để thoát nước cho các khu vực mái lên đến 3000 m2. Như đã đề cập các hệ thống siphonic yêu cầu bảo trì cẩn thận và hình 9.43 minh họa các tắc nghẽn đường ra điển hình có thể gặp phải.

Ống dài 20 m, đường kính 0,1m, áp suất cung cấp 700 kN/m2 , thể tích không khí ban đầu 20 đường kính ống ở 100 kN/m2

Điểm cuối ống không thông hơi Khí bị giữ — áp suất tại điểm cụt của ống , kN/m2

Van giảm áp được cài đặt để mở ở 750 kN/m2

Thời gian, s

Hình 9.31 Tác dụng của van giảm áp trong việc giảm áp suất đỉnh bằng cách thông khí bị mắc kẹt

Pump supply

Bể cấp

Mật độ hỗn hợp tăng Không khí

Biên nguồn cấp, C và hằng số áp suất hặc hàm đặc trưng của bơm

Flush valve boundary, continuity and valve loss coefficient

Biên vành đai, C+ và ∆p = kvành đai Q2

Hình 9.32. Phương pháp mô phỏng đặc điểm của sự kiện đứt gãy WC

Mức áp suất đầu vào của van xả

Không giảm áp — Vỡ bồn cầu

Áp suất, kN/m2

Áp suất ở mép bồn cầu

Giảm áp — Ngăn vỡ bồn cầu

Thời gian, s

Hình 9.33 Dấu vết áp suất mô phỏng ngược dòng của van xả và trong vành WC chỉ dành cho các ví dụ xả nước và không khí cuốn theo. Tác dụng của van xả được thể hiện rõ hơn trên hình 9.34

Áp suất ở mép mà không có van giảm áp

Tác dụng của van giảm áp là làm giảm áp suất đỉnh bằng cách duy trì tốc dộ dòng chảy

Áp suất ở mép, kN/m2

Dấu vết áp suất đã thay đổi với van giảm áp

Hình 9.34 Ảnh hưởng của van giảm áp đối với sự gia tăng áp suất trong vành WC khi dòng chảy chỉ hoàn nguyên thành nước

0.00 giây 0.89 giây 1.72 giây

0.44 giây

1.28 giây 2.17 giây

Hình 9.35 Video tốc độ cao tiết lộ chuỗi lỗi của một WC bằng sứ do áp suất tăng. Không khí được đẩy ra ban đầu di chuyển nước khỏi bát, sau đó gốm bị nứt vỡ khi cột nước đến (Courtesy J. B. Engineering)

Hình 9.36 Các đầu ra mái siphonic điển hình nhưng khác nhau (cả hai hình đều được sao chép với sự cho phép)

Dòng chảy được bơm vào máng xối (thông qua máng cung cấp phía sau và mái dốc mô phỏng)

Hình 9.37 Giàn thử nghiệm cho hệ thống nước mưa siphonic

Tác động của mô phỏng dựa trên máy tính

Chương này tập trung vào ứng dụng của một kỹ thuật mô hình hóa để mô tả các điều kiện dòng chảy không ổn định trong các hệ thống xây dựng. Các điều kiện dòng chảy được đáp ứng trong dòng chảy ống đầy đủ và đầy một phần và trong quá trình vận chuyển chất rắn và cuốn theo không khí đều được chứng minh là các thành viên của cùng một họ các hiện tượng dòng chảy có thể được giải quyết thông qua phương pháp đặc trưng. Mặc dù các kỹ thuật toán học được triển khai đã có lịch sử lâu đời, nhưng chính sự ra đời của máy tính giá rẻ, nhanh chóng và sẵn có đã giúp các nhà thiết kế dịch vụ tòa nhà có thể tiếp cận được những kỹ thuật này. Các kỹ thuật được trình bày cũng đã được sử dụng để giải quyết các điều kiện và hệ thống dòng chảy khác trong các tòa nhà. Các ví dụ nằm trong việc mô hình hóa sự lan truyền thoáng qua của áp suất không khí trong hệ thống lỗ thông hơi thoát nước thích hợp với các công trình ngầm lớn, ví dụ như công việc hiện tại đang phát triển các mô hình mạng sẽ hoạt động như các giường thử nghiệm mô phỏng cho các chiến lược kiểm soát để đảm bảo chất lượng không khí cân bằng và cung cấp cho các khu bên trong tòa nhà.

Mặc dù đây là những bước phát triển thú vị, nhưng các mô hình được trình bày vẫn tiếp tục lấy mục tiêu chính là cung cấp tư vấn thiết kế, cho cả dịch vụ xây dựng và thiết bị ống nước và cho các cơ quan mã xác định cài đặt hệ thống được phép. Các mô hình, dựa trên mô tả cơ bản về các điều kiện dòng chảy đáp ứng trong việc xây dựng hệ thống cấp nước, thoát nước và thông gió, mang tính quốc tế, vượt qua ranh giới của mã quốc gia. Việc thay thế các mã quốc gia dựa trên các quy tắc kinh doanh và kiến thức kinh nghiệm sẽ tạo cơ sở cho các quy tắc thực hành quốc tế dựa trên hiệu suất sẽ mở cửa thị trường và nâng cao mức cung cấp tổng thể, đồng thời cho phép các thiết bị sáng tạo và thiết kế hệ thống. Các ví dụ trong chương này chỉ là tiền thân của hỗ trợ thiết kế sẽ trở nên phổ biến trong tương lai.

Từ máng 2

Từ máng 1

a. Sự hình thành bước nhảy thủy lực

Từ máng 2

Từ máng 1

b. Sự hình thành và lan truyền của dòng chảy đầy ống c. Sự hình thành của túi khí bị kẹt

Từ máng 2

Từ máng 1

dòng chảy từ máng 2 hòa vào ở điểm giao 45° dòng chảy từ máng 2 hòa vào ở điểm giao 45° dòng chảy từ máng 2 hòa vào ở điểm giao 45°

Tăng thời gian và dòng vào

Hướng chảy

Hình 9.38 Quá trình mồi của giàn thử nghiệm nước mưa siphonic

Độ sâu máng

Áp suất (mét nước) Độ sâu máng (mm)

Áp suất đầu ra

Thời gian (s)

Hình 9.40 Áp suất môi trường xung quanh trong hệ thống đối với máng xối ổn định với tốc độ dòng chảy là 42 phần trăm công suất đo được, minh họa tính chất chu kỳ của hiệu suất hệ thống được mồi một phần

Độ sâu máng 1 (T1)

Độ sâu máng 2 (T2)

Áp suất ống nhánh 1 (T3)

Áp suất ống nhánh 2 (T4)

Áp suất ống thông thường (T4)

Độ sâu máng (mm) Áp suất (mét nước)

Hình 9.39 Độ sâu máng xối đo được và áp lực hệ thống đối với sự kiện mưa theo tiêu chí thiết kế (dòng vào máng 1 = 5.851/s, dòng vào máng 2 = 7.781/s))

Dữ liệu đo đạc SIPHONET

Áp suất (mét nước)

Điểm A

Hướng chảy

Thời gian (s)

Hình 9.41. Áp suất được tính toán và đo lường tại Điểm A trong quá trình sơn lót hệ thống thoát nước mái siphonic được minh họa

Phóng to giai đoạn tái điều áp

Time since start of simulated rainfall event (s)

Hình 9.42. Cường độ mưa đo được và áp suất hệ thống cho hệ thống siphonic chính tại Thomas Thompson House (Edinburgh) cho sự kiện mưa bắt đầu lúc 16:22:21 ngày 2/8/00