Pa)，g為水的密度，取lOOOkg/ηΛυ為水 的流速(m/s)，h為水頭損失(m)，g為重力加速度，9 · 81m/s2，γ =Pg為水的容重，取9810N/m3， h2-x為水頭損失(m)。？2是雨水斗頂面壓強，近似為大氣壓強，相對壓強為0，U 2 ? 〇(相對系統(tǒng) 管道流速，雨水口附近水流速度很?。?hx=H-Hx，代入式(1 )，則有：
[0040]由式（2)可知，在懸吊管上，隨著X斷面從懸吊管的左邊最遠端向右邊立管一側偏 移時，管道的水頭損失h2-x迅速增加，懸吊管水平ux不變，而可利用的水頭h x也不變，由式(2) 可知，管內(nèi)呈不斷增大的負壓，在懸吊管與立管的交叉點處負壓最大。隨后，從立管與懸吊 管交點向下，可利用的水頭h x迅速增加，大大超過因管道長度增加而增加的水頭損失，立管 內(nèi)的負壓值也隨之快速減少至零，而后又逐漸增加到正壓，在立管的底部達到最大值。最 后，在出戶管上逐漸減少，直至出戶管與大氣相通，管道中的壓力為零。由此可知，在懸吊管 與立管的交叉點處出現(xiàn)最大負壓，在立管與出戶管交叉點處出現(xiàn)最大正壓。
[0041] 該實驗裝置由底部儲水箱、潛水栗、壓力表、不銹鋼支架及頂部屋面、上水管、虹吸 式雨水排放管(包括雨水斗、懸吊管、立管及出戶管)等組成，上水管及虹吸式雨水排放管的 內(nèi)徑均為16mm，由底部的排水閥及上水閥控制排水及上的流量，用體積法測定排水流量。在 虹吸式雨水排放管上設置了 14個測壓點，通過測壓臺上的壓力表測定壓力。通過調(diào)節(jié)上水 閥及排水閥的開啟度，可以將屋面的液位穩(wěn)定在一定的斗前水深，從真實地模擬虹吸式屋 面雨水排放系統(tǒng)的全過程。
[0042] 本實用新型所提供的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置的實驗步驟：
[0043] (1)虹吸形成過程實驗
[0044] 1)調(diào)節(jié)上水閥及排水閥的開啟度，斗前水深分別穩(wěn)定在10、18、24、26、28、30、35、 40mm左右，同時用體積法測定各個斗前水深下的流量；
[0045] 2)記錄不同的斗前水深及相應的流量，繪制排水能力與斗前水深的關系曲線；
[0046] 3)根據(jù)排水能力與斗前水深的關系曲線分析虹吸形成的四個階段，觀察各個階段 時管道中流體的流態(tài)，確定形成穩(wěn)定虹吸時斗前水深的范圍。
[0047] (2)穩(wěn)定虹吸時系統(tǒng)壓力變化及水力計算實驗
[0048] 1)調(diào)節(jié)上水閥及排水閥的開啟度，控制斗前水深深度（約30mm)，使排水管中形成 穩(wěn)定的虹吸排水，讀取各個測點（圖2中1~14點）的壓力，同時用體積法測定流量；
[0049] 2)繪制雨水排放管各測點壓力變化曲線圖，在圖中注明起始測點（1點）、最小壓力 測點（d點）、最大壓力測點（e點）及最末測點（14點）的壓力值;分析壓力沿雨水排放管的變 化情況；
[0050] 3)根據(jù)已知的流量及雨水斗、雨水排放管道的參數(shù)，按照前述的相關公式，進行系 統(tǒng)的水力計算，計算出系統(tǒng)的最大負壓值、最大正壓值、管內(nèi)流速、雨水斗之間的水頭損失 及總水頭余量，并與實測值進行比較。
[0051] 本實用新型所提供的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置的數(shù)據(jù)處理及分析：
[0052] 調(diào)節(jié)上水閥及排水閥的開啟度，控制斗前水深為30mm，形成穩(wěn)定的虹吸排水，讀取 雨水排放管各個測點（1~14點）的壓力，同時繪制雨水排放管中各測點壓力變化曲線。在懸 吊管上，沿著水流方向，懸吊管內(nèi)壓力由668.5Pa下降至-1393Pa，在懸吊管與立管的交叉點 處d點達到最大負壓值;隨后，從立管與懸吊管交點向下，立管內(nèi)的壓力迅速增加，在立管與 出戶管交叉點處e點出現(xiàn)最大正壓值7337.9Pa;最后，沿著水流方向，出戶管內(nèi)壓力逐漸減 少。將管內(nèi)壓力變化值投影到虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)的雨水排放管道上，形象、直觀的展 現(xiàn)了虹吸式屋面雨水排放管道的壓力變化情況，最大壓力值、最大負壓值及零點壓力值所 在位置一目了然。
[0053] 本實用新型所提供的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置的水力計算：
[0054]當斗前水深為30mm時，形成穩(wěn)定的虹吸排水。通過實驗測定，當斗前水深為30mm 時，排水流量為19.74L/min，假定此流量為屋面雨水的設計流量。由于形成穩(wěn)定虹吸排水 時，雨水排放管道處于一相流狀態(tài)下的滿管，因此，計算出管內(nèi)流速1.28m/s，同時，系統(tǒng)的 最大位置水頭為1.37m，管道材質(zhì)系數(shù)為140。先計算出各管段的水力坡降，計算沿程損失。 然后，根據(jù)各個管件的阻力系數(shù)，計算各個管件的局部損失。最后，按照公式(2)可以計算出 系統(tǒng)內(nèi)最大負壓點（d點）的壓力值-1388. IPa，其實測值為-1393. IPa，相對誤差為0.35 %; 按照公式（2 )可以計算出系統(tǒng)內(nèi)最大正壓點（e點）的壓力值7 0 7 7.6 P a，其實測值為 7337.8Pa，相對誤差為3.54%，系統(tǒng)內(nèi)最大負壓點與最大正壓點的計算值與測量值比較接 近，相對誤差小于5%，同時系統(tǒng)內(nèi)的最大負壓滿足不超過一9X IO4Pa的限定條件;計算出 系統(tǒng)出戶管出口處的壓力余量為3901.8Pa，不滿足壓力余量應稍大于IO 4Pa的限定條件，這 可能是本套模擬裝置排水管徑過小及系統(tǒng)的最大位置水頭過低有關(在實際工程中排水管 管徑應在50mm以上，最大位置水頭在3m以上）。雨水斗A與B在b點的水頭損失差為371.77Pa， 雨水斗B與C在c點的水頭損失差為1265.29Pa，滿足各個雨水斗之間的水頭損失差應控制在 1.5 X IO4Pa之內(nèi)的限定條件。
【主權項】
1. 一種虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述虹吸式屋面雨水排水實 驗教學裝置包括支架、模擬屋頂、上水管、排水管、壓力計以及測壓管;所述模擬屋頂設置在 支架頂部;所述上水管以及排水管分別與模擬屋頂相貫通;所述排水管上設置有一個或多 個測壓管;所述測壓管與壓力計相連;所述壓力計的數(shù)量與測壓管的數(shù)量是相對應的。2. 根據(jù)權利要求1所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述虹吸式 屋面雨水排水實驗教學裝置還包括雨水斗;所述模擬屋頂通過雨水斗與排水管相貫通。3. 根據(jù)權利要求2所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述雨水斗 包括呈U型的斗體以及整流罩;所述斗體包括入口以及出口；所述整流罩罩接在斗體出口 上;所述模擬屋頂與斗體的入口相貫通;所述斗體出口與排水管相貫通。4. 根據(jù)權利要求3所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述雨水斗 還包括設置在斗體的入口上的進水格柵。5. 根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于： 所述排水管包括短管、橫管以及立管;所述模擬屋頂依次通過短管、橫管以及立管相貫通； 所述橫管和/或立管上分別設置有一個或多個測壓管。6. 根據(jù)權利要求5所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述測壓管 是多個時，多個測壓管均布設置在橫管和/或立管上。7. 根據(jù)權利要求6所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述虹吸式 屋面雨水排水實驗教學裝置還包括設置在模擬屋頂?shù)囊何怀摺?. 根據(jù)權利要求7所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述虹吸式 屋面雨水排水實驗教學裝置還包括設置在支架底部的儲水箱以及水栗;所述上水管以及排 水管分別與儲水箱相貫通。9. 根據(jù)權利要求8所述的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，其特征在于:所述上水管 上設置有上水閥；所述排水管上設置有排水閥。
【專利摘要】本實用新型涉及一種虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置，包括支架、模擬屋頂、上水管、排水管、壓力計以及測壓管；模擬屋頂設置在支架頂部；上水管以及排水管分別與模擬屋頂相貫通；排水管上設置有一個或多個測壓管；測壓管與壓力計相連；壓力計的數(shù)量與測壓管的數(shù)量是相對應的。本實用新型提供了一種可強化建筑給水排水課程理論學習以及可提高學生實踐能力的虹吸式屋面雨水排水實驗教學裝置。
【IPC分類】G09B25/04, G09B25/00
【公開號】CN205281969
【申請?zhí)枴緾N201521104124
【發(fā)明人】李超, 楊成建, 李博峰, 李越, 陳曉偉, 李婷, 肖良濤
【申請人】西安建筑科技大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月28日