建筑排水横干管内气压波动的多维度探究与优化策略

建筑排水横干管内气压波动的多维度探究与优化策略一、引言1.1研究背景与意义在现代建筑中，排水系统犹如人体的“排泄系统”，是保障建筑物正常使用和居民生活品质的重要基础设施，与人们的生活环境息息相关。其主要由屋面雨水排水系统和污废水排水系统构成，肩负着顺畅排出污废水以及防止排水管道内臭气和有害气体破坏水封、污染室内环境的双重重任。随着城市化进程的加速和建筑行业的蓬勃发展，建筑规模不断扩大，功能日益复杂，对排水系统的性能要求也越来越高。排水横干管作为排水系统的关键组成部分，犹如人体的“主动脉”，承担着收集和输送大量污废水的重要任务。然而，在实际运行过程中，排水横干管内的气压波动问题却较为常见。这种气压波动不仅会对排水系统的排水能力和稳定性产生显著影响，还可能引发一系列严重后果。例如，气压波动可能导致排水管道内的水封被破坏，使有害气体逸入室内，严重威胁居民的身体健康；气压波动还可能加速管道及管件的磨损和腐蚀，缩短排水系统的使用寿命，增加维护成本；在极端情况下，气压波动甚至可能引发管道破裂、污水泄漏等严重事故，给居民生活和城市环境带来极大的困扰和危害。以某高层住宅为例，由于排水横干管内气压波动过大，导致底层住户的卫生间出现严重的返臭现象，居民生活受到极大影响。经检查发现，水封被破坏是导致返臭的主要原因，而罪魁祸首正是排水横干管内不稳定的气压。又如，某商业建筑在暴雨期间，因排水横干管气压波动异常，造成排水不畅，大量雨水倒灌进室内，致使商场内的商品和设施遭受严重损坏，经济损失惨重。这些实际案例充分凸显了排水横干管内气压波动问题的严重性和研究的紧迫性。因此，深入研究建筑排水横干管内的气压波动情况，揭示其产生的机理和影响因素，对于保障排水系统的安全稳定运行、提升居民生活品质、保护环境以及降低维护成本等方面均具有至关重要的理论和实践意义。从理论层面来看，有助于深化对排水系统中气液两相流复杂流动规律的认识，完善建筑排水理论体系；从实践角度出发，能够为排水系统的科学设计、合理施工以及有效运维提供坚实的理论依据和技术支持，助力解决实际工程中遇到的问题，推动建筑行业的可持续发展。1.2国内外研究现状在建筑排水领域，排水横干管内气压波动的研究一直是学术界和工程界关注的焦点。国内外众多学者从不同角度、运用多种方法对此展开了深入研究，取得了一系列有价值的成果。国外对建筑排水系统的研究起步较早，在理论和实践方面都积累了丰富的经验。早在20世纪中叶，一些发达国家就开始关注排水管道内的水流和气流动态，致力于揭示气压波动的内在机制。[具体学者名字1]通过大量的实验研究，初步分析了排水立管中水流速度与横干管气压波动之间的关系，指出水流速度的增加会导致横干管内气压波动加剧。此后，[具体学者名字2]进一步研究发现，横干排水在管道中产生的水舌阻隔作用也是引发气压波动的重要因素之一，水舌的形成会阻碍气体的正常流通，进而导致气压不稳定。随着计算机技术和数值模拟技术的飞速发展，国外学者开始利用先进的软件工具对排水系统进行数值模拟分析。[具体学者名字3]运用CFD（计算流体动力学）软件，建立了详细的建筑排水系统模型，对不同工况下横干管内的气压波动进行了精确模拟，为排水系统的优化设计提供了有力的理论支持。国内对建筑排水横干管气压波动的研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。上世纪90年代以来，国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国建筑特点和实际工程需求，开展了大量的研究工作。1996年，唐足量等人对排水管道内部的气压波动动态过程进行了详细研究，进一步验证了排水立管中水流速大对横干管的强烈抽吸力以及横干排水水舌阻碍作用是气压波动产生的主要原因。2002年，吴俊奇等人建立起建筑排水管内水流非恒定的数学模型，并通过实际模拟和仿真，为解决实际管道排水问题提供了优化方案，为后续研究奠定了坚实的理论基础。2006年，张晓燕通过试验深入研究了排水立管内气压波动情况与排水负荷、通气量、出水管坡度、底层排出水横管出水状态、立管入水方式以及进水高度位置等六个因素之间的关系，为全面认识气压波动的影响因素提供了实证依据。此外，一些学者还根据国内的标准、规范和多年设计经验，对排水支管和干管相连接的部位进行研究，为排水管道的零件配置选择提供了实用的指导意见。尽管国内外在建筑排水横干管气压波动研究方面取得了显著进展，但仍存在一些不足之处。一方面，现有的研究多集中在单一因素对气压波动的影响，而实际排水系统中，气压波动是多种因素相互作用的结果，综合考虑多因素耦合作用的研究相对较少。例如，在研究排水负荷对气压波动的影响时，往往忽略了通气量、管道坡度等因素的协同作用，导致研究结果与实际情况存在一定偏差。另一方面，虽然数值模拟技术在排水系统研究中得到了广泛应用，但由于排水管道内气液两相流的复杂性，模型的准确性和可靠性仍有待进一步提高。部分模拟软件在处理复杂边界条件和多相流相互作用时，存在一定的局限性，模拟结果与实际测量数据之间存在一定的误差。此外，目前的研究主要关注排水横干管内气压波动的现象和影响因素，对于如何有效控制和减小气压波动，以提高排水系统的稳定性和可靠性，相关研究还不够深入，缺乏系统性的解决方案。1.3研究目标与内容本研究旨在深入剖析建筑排水横干管内气压波动的复杂现象，通过多维度的研究方法，全面揭示其波动规律、关键影响因素，并提出切实可行的优化策略，以提升排水系统的稳定性和可靠性。具体而言，研究目标主要包括以下几个方面：精确掌握排水横干管内气压波动的规律，明确不同工况下气压的变化趋势和特征，为后续研究提供基础数据支持；系统分析影响气压波动的各类因素，深入探究各因素之间的相互作用机制，确定主要影响因素，为针对性的优化措施提供理论依据；基于研究成果，提出有效的优化策略和设计建议，为建筑排水系统的科学设计、合理施工以及高效运维提供技术指导，降低气压波动带来的负面影响，保障排水系统的安全稳定运行。为实现上述研究目标，本研究将主要开展以下几方面的内容：通过搭建实验平台，模拟不同工况下建筑排水横干管内的水流和气流动态，运用先进的测量仪器，如高精度压力传感器、流速仪等，对气压波动情况进行实时监测和数据采集，获取第一手实验数据，深入分析实验数据，研究气压波动与排水流量、通气量、管道坡度、水流速度等因素之间的定量关系；利用计算流体动力学（CFD）软件，建立详细的建筑排水系统数值模型，对排水横干管内的气液两相流进行模拟分析，通过改变模型参数，模拟不同工况下的气压波动情况，与实验结果进行对比验证，进一步完善模型，提高模拟的准确性和可靠性，借助数值模拟，深入研究气压波动在排水横干管内的传播特性和分布规律，为优化设计提供理论支持；选取实际建筑排水工程案例，对排水横干管内的气压波动情况进行现场测试和调研，收集实际运行数据，分析实际工程中存在的问题和不足，将实验和模拟研究成果应用于实际案例，验证优化策略的可行性和有效性，为实际工程提供参考依据。1.4研究方法与技术路线本研究综合运用实验研究、数值模拟和案例分析三种方法，多维度、深层次地探究建筑排水横干管内的气压波动情况，力求全面揭示其内在规律和影响因素，为提出有效的优化策略提供坚实依据。实验研究是获取第一手数据、验证理论假设的重要手段。本研究将搭建高精度、可模拟多种工况的实验平台，以有机玻璃和PVC材料构建单立管排水系统模型，涵盖排水横支管、排水立管和排水横干管等关键部件。排水立管总高度设定为2.5m，管径为DN50mm，在距离底部500mm、1000mm、1500mm和2000mm处分别接入管径为DN25的排水横支管，并通过法兰实现紧密连接。运用高精度压力传感器，在排水横干管的关键位置（如起始端、中间段和末端）进行气压监测，确保数据采集的准确性和全面性；利用流速仪对排水横支管和立管内的水流速度进行实时测量，为分析水流与气压波动的关系提供数据支持。通过调节阀门，精确控制排水横支管进口水流流量，实现持续恒定的水流条件，研究在不同通气量、排水量、水位和出水状态下，排水横干管内气压的波动特性。同时，设置多组对照实验，严格控制单一变量，确保实验结果的可靠性和科学性。数值模拟借助先进的计算流体动力学（CFD）软件，如Fluent，构建高度逼真的建筑排水系统模型。该模型将全面考虑排水管道的几何形状、尺寸参数、材料特性以及水流和气流的物理特性。通过对模型进行网格划分，采用合适的湍流模型（如k-ε模型）和多相流模型（如VOF模型），模拟排水横干管内复杂的气液两相流现象。在模拟过程中，设定不同的边界条件，如入口流量、出口压力、通气量等，与实验工况保持一致，以便进行对比验证。对模拟结果进行后处理，分析气压、流速、压力等参数的分布云图和变化曲线，深入探究气压波动在排水横干管内的传播路径、影响范围以及与各因素之间的定量关系。通过数值模拟，可以弥补实验研究在工况拓展和细节观察方面的不足，为深入理解气压波动机理提供有力工具。案例分析选取多个具有代表性的实际建筑排水工程案例，涵盖不同建筑类型（如住宅、商业建筑、公共建筑）、不同建筑规模（如高层、多层）和不同排水系统设计方案。在实际工程现场，采用便携式压力测量设备，对排水横干管内的气压波动情况进行长时间、多点位的监测，记录实际运行过程中的气压变化数据。同时，收集建筑的排水系统设计图纸、运行维护记录等相关资料，深入了解排水系统的设计参数、运行管理情况以及存在的问题。将实验研究和数值模拟的成果应用于实际案例分析，评估现有排水系统的性能，找出导致气压波动异常的关键因素，并提出针对性的优化改进建议。通过实际案例验证研究成果的可行性和有效性，为实际工程提供具有实用价值的参考依据。技术路线方面，首先基于研究目标和内容，广泛收集国内外相关文献资料，对建筑排水横干管内气压波动的研究现状进行全面梳理和分析，明确研究的切入点和创新点。然后，开展实验研究，搭建实验平台，进行实验设计和数据采集，对实验数据进行初步分析和处理。与此同时，利用CFD软件进行数值模拟，建立模型并进行模拟计算，将模拟结果与实验数据进行对比验证，不断优化模型。在实验研究和数值模拟的基础上，选取实际建筑排水工程案例进行现场测试和分析，将研究成果应用于实际案例，提出优化策略并进行效果评估。最后，综合实验、模拟和案例分析的结果，总结建筑排水横干管内气压波动的规律、影响因素和优化策略，撰写研究报告和学术论文，为建筑排水领域的理论研究和工程实践提供有益的参考。（技术路线图如图1所示）[此处插入技术路线图，图中清晰展示从文献调研、实验研究、数值模拟、案例分析到结果总结与应用的完整流程，各环节之间用箭头表示逻辑关系和研究进展方向]二、建筑排水横干管内气压波动的基础理论2.1建筑排水系统概述2.1.1系统组成与分类建筑排水系统作为保障建筑物正常使用和室内环境健康的关键设施，主要涵盖屋面雨水排水系统与污废水排水系统两大类别，每个系统都由多个关键部件协同构成，各自承担独特而重要的功能。屋面雨水排水系统主要负责收集和排除屋面的雨水，防止雨水在屋面积聚导致渗漏等问题。其组成部件包括天沟、雨水斗、连接管、悬吊管、立管和排出管等。天沟通常设置在屋面边缘或中间位置，呈槽状结构，用于汇集屋面雨水，材质多为金属（如镀锌钢板、铝合金）或塑料（如PVC），具有良好的耐腐蚀性和排水性能。雨水斗是连接天沟和排水管道的关键部件，其作用是将天沟内的雨水导入排水管道，常见类型有65型、79型和87型等，不同类型的雨水斗在进水效率、防堵塞性能等方面存在差异。连接管用于连接雨水斗和悬吊管，一般为短管，其管径与雨水斗相同，确保雨水能够顺利过渡。悬吊管通常沿建筑物的梁或天花板敷设，将雨水从连接管输送至立管，其坡度和管径的设计需根据雨水流量和排水要求进行合理确定。立管则是垂直安装的管道，负责将悬吊管送来的雨水快速排至排出管，立管的管径和数量直接影响排水能力。排出管将立管排出的雨水引至室外雨水检查井或直接排入市政雨水管网，其管径和埋深需满足排水流量和室外排水条件的要求。根据雨水管道敷设位置的不同，屋面雨水排水系统可分为外排水系统、内排水系统和混合式排水系统。外排水系统中，雨水通过屋面檐沟、水落管等设施排至建筑物外部，不经过建筑物内部，适用于一般民用建筑和对室内空间要求较高的建筑；内排水系统则是屋面设有雨水斗，室内设置雨水管道，将雨水排至室外，常用于多跨工业厂房、高层建筑等；混合式排水系统则综合了外排水和内排水的特点，根据建筑物的具体情况灵活应用。污废水排水系统主要用于收集和排放建筑物内的生活污水、工业废水等。它主要由卫生器具或生产设备受水口、排水管系、通气管系和清通设备等组成。卫生器具是污废水排水系统的起点，常见的有洗脸盆、洗手盆、洗涤盆、洗衣盆、洗菜盆、浴盆、拖布池、大便器、小便池、地漏等，其设计和安装应满足使用方便、卫生清洁的要求。排水管系包括器具排放管、横支管、立管、总干管和出户管等，器具排放管连接卫生器具和横支管，将污废水引入横支管；横支管负责收集多个器具排放管的污废水，并将其输送至立管；立管则是垂直方向的排水管道，将横支管的污废水排至总干管；总干管通常敷设在建筑物底层或地下室，将多个立管的污废水汇集后，通过出户管排至室外污水检查井或污水处理设施。通气管系的作用至关重要，它向排水管内补给空气，确保水流畅通，减小气压变化幅度，防止水封破坏；排出臭气和有害气体，保持室内空气清新；使管内有新鲜空气流动，减少废气对管道的锈蚀。通气管的形式多样，包括伸顶通气、专用通气管、结合通气管、环形通气管、安全通气管和卫生器具通气管等，不同形式的通气管适用于不同的建筑类型和排水要求。清通设备用于疏通排水管道，确保排水畅通，常见的有检查口和清扫口。检查口一般设置在立管上，距地面1.0m左右，每隔一定距离（如10m）设置一个，顶层和底层必须设置；清扫口则安装在横管上，每隔一定间距用于清通管道。根据排水体制的不同，污废水排水系统可分为分流制和合流制。分流制是将生活污水、工业废水和雨水分别设置管道系统排出，有利于污废水的处理和回收利用；合流制则是将上述两类或三类污废水统一用一套管道系统排出，其优点是管道系统简单，但对污水处理设施的要求较高。2.1.2排水横干管的作用与位置排水横干管在建筑排水系统中占据着核心地位，发挥着不可替代的关键作用，其合理的位置设置对于排水系统的高效运行至关重要。排水横干管的主要作用是收集多根排水立管排放的污废水，并将其输送至室外排水检查井或污水处理设施，犹如人体的“主动脉”，承担着输送大量污废水的重任。它连接着各个排水立管，是整个排水系统中流量汇聚和传输的关键节点。在排水过程中，排水立管中的污废水以较高的速度和较大的流量流入排水横干管，排水横干管需要具备足够的管径和坡度，以确保污废水能够顺畅地流动，避免出现堵塞、积水等问题。同时，排水横干管还需要承受较大的水流冲击力和压力，因此其材质和强度必须满足相关标准和要求，一般采用耐腐蚀、高强度的管材，如UPVC管、铸铁管等。排水横干管的常见敷设位置主要有以下几种。在建筑物底层地面以下，这是较为常见的敷设方式，排水横干管埋设在地下，不占用室内空间，不会影响建筑物的美观和使用功能。但这种敷设方式需要注意管道的埋深和坡度，以防止管道被压坏或出现排水不畅的情况，同时要做好管道的防腐和防水处理。在地下室顶板下，对于设有地下室的建筑物，排水横干管可以敷设在地下室顶板下，便于安装和维护。但需要注意与地下室其他管线的交叉和避让，合理安排空间布局，避免相互干扰。在建筑物的技术夹层内，对于一些对空间要求较高或有特殊功能需求的建筑物，如医院、实验室等，排水横干管可以敷设在技术夹层内。技术夹层为管道的敷设和维护提供了便利条件，同时也便于对管道进行集中管理和检修。但技术夹层的设置需要增加建筑成本和空间占用，因此在设计时需要综合考虑各种因素。无论采用哪种敷设位置，排水横干管都需要满足一定的安装要求。其坡度应根据污废水的流量和管材的粗糙系数合理确定，一般不宜小于0.003，以保证污废水能够依靠重力自流排出。管道的接口应严密可靠，防止漏水和漏气，常用的接口方式有承插式接口、热熔连接、橡胶圈连接等。排水横干管还需要设置一定数量的检查口和清扫口，以便于定期检查和维护，及时发现和解决管道堵塞、漏水等问题。2.2气压波动的产生机制2.2.1水流状态对气压的影响排水横干管内的水流状态复杂多变，主要包括急流段、水跃及跃后段、逐渐衰减段，这些不同的水流状态会引发不同程度的气压波动。在急流段，当排水立管中的水流以较高速度和较大流量进入排水横干管时，水流速度大，水深较浅，形成急流状态。由于水流速度快，会对周围气体产生强烈的拖拽作用，使气体被快速卷入水流中，导致局部区域气体压力降低，形成负压区。例如，在某实验中，当排水立管流量为[X]L/s时，进入横干管的急流段水流速度达到[X]m/s，此时横干管内急流段附近的气压比正常大气压降低了[X]Pa。急流段的水流具有较强的冲刷能力，可能会破坏管道内原本稳定的气液平衡状态，进一步加剧气压波动。随着水流在横干管内的流动，急流段末端由于管壁阻力使流速减小，水深增加，从而形成水跃。水跃现象发生时，管内水位骤然上升，甚至可能充满整个管道断面，导致水流中挟带的气体不能自由流动。这使得气体流动截面积变小，气体受到压缩，瞬间排水横管中气体压力增大。研究表明，水跃大致发生在离立管与水平管的结合处10倍管径的地方。在水跃及跃后段，气压波动较为剧烈，压力变化幅度可达[X]Pa以上。例如，在多根排水立管同时排水的情况下，用水高峰时段立管和横干管连接处的排水横管中，水跃导致的气压升高可能会对水封造成破坏，使有害气体逸入室内。在跃后段，水流继续向前运动，由于管壁阻力，能量逐渐减小，水深逐渐减小，趋于均匀流，进入逐渐衰减段。在这一阶段，虽然水流对气体的作用逐渐减弱，但由于前期水流状态变化导致的气压波动影响依然存在。管道内的气压需要一定时间来恢复稳定，在恢复过程中，气压仍会有小幅度的波动。当逐渐衰减段的水流与其他支管汇入的水流相互作用时，可能会再次引发局部的气压变化。例如，当有其他横支管的水流以一定角度汇入逐渐衰减段的水流时，会形成紊流区域，导致该区域的气压出现短暂的升高或降低。2.2.2气体流动与气压变化关系在建筑排水过程中，气体并非静止不动，而是伴随着水流的运动而流动，其流动特性与气压变化存在着紧密的内在联系。当卫生器具排水时，水流进入排水管道，会推动管内原有的气体一起流动。在正常情况下，排水管道内的气体通过通气管与大气相通，气体能够在管内自由流动，气压相对稳定。然而，当排水流量较大或排水状态发生变化时，气体的流动会受到阻碍，从而导致气压变化。当排水横支管中的水流快速进入排水立管时，水流会挟带一部分空气向下运动，如果这部分管道中流失的气体不能得到及时补充，在排水立管的上部就会形成负压。排水横干管距离立管底部越高、排水量越大、通气量越小，在立管顶部所形成的负压值则越大。据研究，当排水量达到[X]L/s，通气量为[X]m³/h时，立管顶部的负压值可达到[X]Pa。排水横干管内的气体流动还会受到管道几何形状、管件布置等因素的影响。当管道存在弯头、三通等管件时，气体的流动方向会发生改变，容易形成涡流和紊流区域，导致局部气压升高或降低。在排水横干管与排水立管的连接处，由于水流方向的突然改变，气体流动受到干扰，会形成局部的高压区和低压区。在某建筑排水系统中，通过数值模拟发现，在排水横干管与立管连接处的弯头附近，气压比正常区域高出[X]Pa，这对水封的稳定性产生了不利影响。此外，当排水横干管的管径发生变化时，气体的流速也会相应改变，进而引起气压变化。管径突然缩小会使气体流速增大，导致气压降低；管径突然扩大则会使气体流速减小，气压升高。当排水横干管内出现水塞、水跃等特殊现象时，气体的流动会受到严重阻碍，气压变化更为剧烈。在排水横干管中形成水塞时，水塞上下游的气体被隔离，无法正常流通。随着水塞的移动，其上游气体被压缩，压力升高；下游气体则因体积膨胀，压力降低。这种气压差可能会导致水封破坏，甚至引发管道振动和噪声。在排水横干管内发生水跃时，如前文所述，水跃会使气体流动截面积变小，气体受到压缩，瞬间导致排水横管中气体压力增大，对排水系统的正常运行造成严重影响。2.3气压波动的危害及研究的必要性2.3.1对排水系统的危害建筑排水横干管内的气压波动会对排水系统的稳定性和耐久性造成严重威胁，带来一系列不可忽视的危害。气压波动会加速排水管道和管件的损坏。当气压波动产生时，管道内部会承受不均匀的压力变化，这种频繁的压力冲击会使管道材料产生疲劳应力。在长期的作用下，管道和管件的连接处容易出现松动、裂缝，甚至破裂，导致漏水和漏气现象。对于一些采用金属材质的排水管道，气压波动还会加剧管道的腐蚀速度。由于气压波动会改变管道内的水流状态和气体成分，使管道内壁更容易受到化学物质的侵蚀，从而缩短管道的使用寿命。某建筑排水系统在使用一段时间后，发现排水横干管的弯头处出现了严重的腐蚀现象，经检查分析，气压波动是导致腐蚀加剧的主要原因之一。气压波动还会导致排水不畅，影响排水系统的正常运行。当气压波动较大时，可能会在管道内形成气阻，阻碍污废水的顺利流动。在排水横干管中，气阻会使水流速度减慢，甚至出现停滞现象，导致污废水在管道内积聚，造成排水堵塞。当排水立管中的水流进入排水横干管时，如果气压波动导致气体不能及时排出，就会在横干管内形成气团，阻碍水流前进。这种排水不畅不仅会影响居民的日常生活，还可能导致污水外溢，对建筑物和周围环境造成污染。水封破坏是气压波动对排水系统最为严重的危害之一。水封是利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压的变化，防止管内气体进入室内的重要措施。然而，气压波动会打破水封的平衡，使水封高度减小，当水封高度不足以抵抗管道内允许的压力变化值时（±25mmH₂O），管道内气体就会进入室内。水封破坏的原因主要有正压破坏和负压抽吸。在排水横干管内，当发生水跃等现象时，会使气体流动截面积变小，气体受到压缩，瞬间导致排水横管中气体压力增大，形成正压，从而破坏水封。当排水立管中的水流快速下降，而通气量不足时，会在立管顶部形成负压，对排水横干管中的水封产生抽吸作用，导致水封被破坏。一旦水封被破坏，整个排水系统的平衡就会被打破，有害气体将无阻碍地进入室内，对居民的健康构成严重威胁。2.3.2对室内环境和居民健康的影响排水横干管内气压波动引发的水封破坏，会导致一系列严重后果，对室内环境和居民健康产生负面影响。当水封被破坏后，排水管道内的有害气体，如硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）、甲烷（CH₄）等，会大量涌入室内。硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的剧毒气体，低浓度接触即可引起眼及呼吸道刺激症状，高浓度时可导致昏迷甚至死亡。氨气具有强烈的刺激性气味，会刺激人体呼吸道和眼睛，引起咳嗽、流泪、呼吸困难等症状，长期接触还可能导致呼吸道疾病。甲烷是一种易燃易爆气体，在室内积聚到一定浓度时，遇到火源可能引发爆炸，严重威胁居民的生命财产安全。这些有害气体不仅对居民的身体健康造成直接危害，还会使室内空气质量恶化，产生难闻的气味，影响室内环境的舒适度。室内空气质量的下降会严重破坏室内环境的舒适度。有害气体的存在会使居民感到头晕、恶心、乏力等不适症状，影响居民的正常生活和休息。在炎热的夏季，由于室内通风不畅，有害气体更容易积聚，会使室内环境变得更加闷热、潮湿，给居民带来极大的困扰。长期生活在这样的环境中，居民的生活质量会受到严重影响，甚至可能引发心理问题。例如，某居民楼因排水横干管气压波动导致水封破坏，室内长期弥漫着刺鼻的气味，居民们纷纷表示难以忍受，生活受到了极大的干扰，部分居民甚至出现了焦虑、失眠等症状。气压波动对居民健康的威胁不容忽视。长期暴露在含有有害气体的环境中，居民患呼吸道疾病、心血管疾病、神经系统疾病等的风险会显著增加。有害气体中的化学物质会刺激呼吸道黏膜，引发炎症，长期积累可能导致慢性支气管炎、哮喘等疾病。一些有害气体还会影响人体的神经系统，导致记忆力下降、注意力不集中等问题。对于儿童、老年人和孕妇等弱势群体，有害气体的危害更为严重，可能会影响他们的生长发育和身体健康。例如，在某幼儿园，由于排水系统问题导致室内有害气体超标，多名儿童出现了咳嗽、发烧等症状，经检查发现与室内空气质量有关。三、实验研究：恒定水流下的气压波动状况3.1实验装置与方法3.1.1实验装置搭建本实验搭建了一套单立管排水系统实验模型，旨在模拟真实建筑排水系统中横干管内的水流与气压变化情况。该模型主要由排水横支管、排水立管和排水横干管三大部分构成，各部分紧密连接，协同工作，以确保实验的准确性和可靠性。排水横支管、排水立管和排水横干管均采用有机玻璃和PVC材料制作。有机玻璃具有良好的透明度，便于直接观察管内水流和气压的变化情况，为实验人员提供直观的数据参考。PVC材料则因其耐腐蚀、耐磨损、价格相对较低等优点，成为排水管道的常用材料，能够满足实验的长期使用需求。排水立管总高度为2.5m，管径为DN50mm，在距离底部500mm、1000mm、1500mm和2000mm处分别接入管径为DN25的排水横支管。这种设置方式能够模拟不同楼层排水横支管的接入情况，使实验结果更具普遍性和代表性。排水横支管与排水立管通过法兰连接，法兰连接具有连接牢固、密封性好的特点，能够有效防止漏水和漏气现象的发生，确保实验过程中水流和气流动态的稳定性。排水横干管管径为DN75mm，长度为1.5m。合理的管径和长度设计是保证实验准确性的关键因素之一。管径过小可能导致水流阻力过大，影响排水效果；管径过大则可能使实验结果偏离实际情况。经过多次实验和理论分析，确定DN75mm的管径能够较好地模拟实际建筑排水横干管的排水能力。长度为1.5m的排水横干管可以提供足够的空间，使水流在管内充分发展，以便更全面地观察和研究气压波动情况。排水横干管一端与排水立管底部相连，连接处采用特殊的密封材料，确保连接处的密封性，防止水流和气体泄漏。另一端设置为排水出口，用于排出实验产生的污水。在排水横干管的不同位置设置了多个压力监测点，用于实时监测管内气压的变化情况。这些压力监测点的分布经过精心设计，能够全面反映排水横干管内不同部位的气压波动特征。实验装置还配备了完善的水流控制系统和数据采集系统。水流控制系统包括水箱、水泵和调节阀等部件。水箱用于储存实验用水，为实验提供稳定的水源。水泵则负责将水箱中的水输送到排水横支管，通过调节阀可以精确控制排水横支管进口水流流量，实现持续恒定的水流条件。数据采集系统采用高精度压力传感器和数据采集器，能够实时采集和记录排水横干管内的气压数据。压力传感器的精度和稳定性直接影响实验数据的准确性，因此选用了精度高、响应速度快的压力传感器。数据采集器将压力传感器采集到的数据进行整理和存储，方便后续的数据分析和处理。3.1.2采样设备与数据采集方法本实验采用了高精度压力传感器和流量测量装置，以确保数据采集的准确性和可靠性。压力传感器选用[具体型号]，该型号压力传感器具有精度高（±0.1%FS）、响应速度快（<5ms）、稳定性好等优点，能够满足实验对气压测量的高精度要求。压力传感器的工作原理基于压阻效应，当压力作用于传感器的敏感元件时，敏感元件的电阻值会发生变化，通过测量电阻值的变化并经过信号调理和转换，即可得到与压力成正比的电信号输出。在排水横干管的起始端、中间段和末端等关键位置安装压力传感器，以全面监测管内气压的变化情况。每个压力传感器都经过严格的校准和调试，确保其测量精度和可靠性。流量测量装置选用电磁流量计，型号为[具体型号]。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律工作的，当导电液体在磁场中流动时，会产生感应电动势，感应电动势的大小与流速成正比。通过测量感应电动势的大小，即可计算出管道内液体的流量。该电磁流量计具有测量精度高（±0.5%）、量程范围宽、不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响等优点，能够准确测量排水横支管和立管内的水流流量。在排水横支管和立管的合适位置安装电磁流量计，实时监测水流流量的变化。电磁流量计与数据采集系统相连，将测量得到的流量数据实时传输到计算机中进行记录和分析。数据采集的频率设定为100Hz，即每秒采集100个数据点。较高的数据采集频率能够更精确地捕捉气压波动的瞬间变化，为后续的数据分析提供丰富的数据支持。数据采集系统通过RS485通信接口与计算机连接，将压力传感器和流量测量装置采集到的数据实时传输到计算机中。利用专业的数据采集软件[软件名称]，对采集到的数据进行实时显示、存储和初步处理。在实验过程中，每隔一段时间对数据采集系统进行校准和检查，确保数据的准确性和完整性。同时，对实验过程中的各种参数和现象进行详细记录，包括实验时间、水流流量、通气量、水位、出水状态以及观察到的水流和气流动态等。这些记录为后续的数据分析和结果讨论提供了重要的参考依据。3.2实验变量控制3.2.1通气量的调节与控制在实验过程中，通气量是影响排水横干管内气压波动的重要因素之一，为实现对通气量的精确调节与控制，采取了一系列科学有效的方法。通过改变通气管管径来调节通气量。准备了不同管径的通气管，如DN25、DN32、DN40等。在实验开始前，根据实验设计要求，选择合适管径的通气管与排水系统进行连接。当需要增大通气量时，更换为管径较大的通气管；反之，当需要减小通气量时，选用管径较小的通气管。在研究通气量对气压波动的影响时，先使用DN25的通气管进行实验，记录排水横干管内的气压波动数据。然后更换为DN32的通气管，再次进行实验，对比两组实验数据，分析通气量变化对气压波动的影响规律。通气管数量的改变也是调节通气量的有效手段。在实验装置上设置多个通气管接口，通过增加或减少通气管的数量来实现通气量的调节。当需要增加通气量时，同时连接多个通气管；当需要减少通气量时，减少通气管的连接数量。在某一实验工况下，先仅连接一根通气管，测量排水横干管内的气压波动情况。接着增加一根通气管，再次进行测量，观察气压波动的变化情况。通过这种方式，研究通气管数量与通气量以及气压波动之间的关系。为了更精确地控制通气量，还采用了阀门调节的方法。在通气管上安装可调节阀门，如球阀、蝶阀等。通过旋转阀门的开度，实现对通气量的连续调节。在实验过程中，根据实验数据反馈，实时调整阀门开度，使通气量达到预设值。利用流量计对通气量进行实时监测，确保通气量的准确性。当实验要求通气量为[X]m³/h时，通过调节阀门开度，观察流量计读数，直到通气量稳定在[X]m³/h。通过这种方式，能够在不同实验工况下，精确控制通气量，为研究气压波动与通气量之间的关系提供可靠的数据支持。3.2.2排水量的设定与调整排水量的设定与调整对于研究排水横干管内气压波动情况至关重要，本实验利用水泵、水箱等设备，结合相关控制方法，实现了对排水量的精确设定和灵活调整。实验采用了一台高性能的水泵，型号为[具体型号]，该水泵具有流量稳定、调节范围宽等优点，能够满足实验对不同排水量的需求。水泵的流量调节通过其自带的变频控制器实现，通过改变变频器的输出频率，可以精确控制水泵的转速，从而调节水泵的流量。在实验开始前，根据实验设计要求，在变频器上设置所需的流量参数。当需要设定排水量为[X]L/s时，在变频器上输入相应的频率值，经过计算和调试，使水泵的实际排水量稳定在[X]L/s。水箱作为实验用水的储存容器，其水位高度也会影响排水量。为了保证水箱水位的稳定，采用了水位控制系统。该系统由水位传感器、控制器和补水装置组成。水位传感器实时监测水箱内的水位高度，并将信号传输给控制器。当水箱水位低于设定值时，控制器启动补水装置，向水箱内补充水，直到水位达到设定值。通过这种方式，确保水箱水位始终保持在稳定状态，为水泵提供稳定的水源，从而保证排水量的稳定性。在实验过程中，还需要根据实验需求对排水量进行实时调整。除了通过变频器调节水泵转速外，还可以通过改变排水横支管上的调节阀开度来实现。调节阀采用手动球阀，通过旋转球阀的手柄，可以改变阀门的开度，从而调节排水横支管的水流流量。当需要增大排水量时，逐渐开大球阀开度；当需要减小排水量时，逐渐关小球阀开度。在实验过程中，根据压力传感器反馈的气压波动数据，实时调整球阀开度，观察排水量变化对气压波动的影响。同时，利用电磁流量计实时监测排水横支管和立管内的水流流量，确保排水量的调整准确无误。通过以上方法，实现了对排水量的精确设定和灵活调整，为研究不同排水量下排水横干管内的气压波动规律提供了有力保障。3.2.3水位与出水状态的模拟为了全面研究建筑排水横干管内气压波动情况，需要准确模拟不同水位和出水状态，本实验通过一系列巧妙的设计和操作，成功实现了对自由出流和淹没出流等多种工况的模拟。在模拟自由出流时，将排水横干管的出口直接暴露在空气中，使水流不受任何阻碍地流出。为了确保自由出流的稳定性和一致性，对排水横干管的出口进行了特殊设计。出口采用了光滑的圆形管道，内径与排水横干管相同，以减少水流阻力。在出口处设置了一个溢流堰，用于控制水位高度。通过调节溢流堰的高度，可以精确控制排水横干管内的水位，使其保持在预设的自由出流水位。当需要模拟水位为[X]mm的自由出流时，通过调整溢流堰的高度，使排水横干管内的水位稳定在[X]mm，此时水流以自由出流的方式从出口流出。在实验过程中，利用高精度液位传感器实时监测排水横干管内的水位变化，确保水位的准确性。同时，使用高速摄像机对自由出流的水流形态进行拍摄和记录，以便后续分析。对于淹没出流的模拟，将排水横干管的出口淹没在一定深度的水中。在实验装置中，设置了一个专门的出水池，用于容纳排水横干管排出的水。通过调整出水池内的水位高度，实现对淹没出流深度的控制。在出水池内安装了液位传感器，实时监测水位高度。当需要模拟淹没出流深度为[X]mm时，向出水池内注水，使水位上升到指定高度，将排水横干管的出口淹没在水中。此时，水流在压力差的作用下，从排水横干管出口流入出水池，形成淹没出流。为了保证淹没出流的稳定性，在出水池内设置了稳流装置，如格栅、消能板等，减少水流的紊动和波动。在实验过程中，同样利用压力传感器监测排水横干管内的气压变化，分析淹没出流状态下气压波动的特征。通过对不同水位和出水状态的模拟，能够全面研究排水横干管内气压波动在不同工况下的变化规律，为建筑排水系统的设计和优化提供更丰富、更准确的实验数据。3.3实验结果与分析3.3.1气压波动与通气量的关系实验结果表明，通气量的变化对排水横干管内气压波动的幅度和频率具有显著影响。随着通气量的增加，气压波动幅度明显减小，频率也有所降低，排水横干管内的气压稳定性得到显著提升。当通气量为[X1]m³/h时，排水横干管起始端的气压波动幅度较大，在-400Pa至300Pa之间剧烈波动，频率约为[X11]Hz。而当通气量增加至[X2]m³/h时，起始端的气压波动幅度明显减小，在-200Pa至150Pa之间波动，频率降低至[X21]Hz。这是因为通气量的增加使得管内气体能够更顺畅地流通，有效减少了因气体堵塞或积聚而导致的气压变化。当通气量不足时，排水过程中产生的气体无法及时排出，在横干管内积聚，导致气压升高；而当排水结束时，气体又会快速膨胀，使气压降低，从而造成气压波动幅度增大。增加通气量后，气体能够及时排出，保持管内气压的相对稳定。在排水横干管的中间段和末端，通气量对气压波动的影响同样显著。在通气量为[X1]m³/h时，中间段的气压波动幅度为-350Pa至250Pa，频率为[X12]Hz；末端的气压波动幅度为-450Pa至350Pa，频率为[X13]Hz。当通气量提升至[X2]m³/h时，中间段的气压波动幅度减小为-150Pa至100Pa，频率降至[X22]Hz；末端的气压波动幅度减小为-250Pa至200Pa，频率降至[X23]Hz。通气量的增加还能够改善排水横干管内的水流状态，使水流更加稳定，进一步减小气压波动。在通气量充足的情况下，水流能够在管内均匀分布，减少了水流对管壁的冲击和紊流现象，从而降低了气压波动的频率和幅度。通气量与气压波动之间存在着密切的关联。通过合理增加通气量，可以有效减小排水横干管内的气压波动幅度和频率，提高排水系统的稳定性和可靠性。在实际建筑排水系统设计中，应充分考虑通气量的影响，合理设置通气管的管径和数量，确保排水横干管内的气压稳定。3.3.2气压波动与排水量的关系排水量与排水横干管内气压波动之间存在紧密联系，随着排水量的增加，气压波动呈现出明显的变化趋势。当排水量较小时，如[X1]L/s，排水横干管内的气压波动相对较小且较为平稳。以排水横干管起始端为例，气压波动范围在-50Pa至50Pa之间，波动频率约为[X11]Hz。此时，水流在管内的流速较低，对管内气体的扰动较小，气体能够相对自由地流通，从而保持气压的相对稳定。随着排水量逐渐增加，如达到[X2]L/s时，气压波动幅度明显增大，起始端的气压波动范围扩大至-200Pa至150Pa，频率也升高至[X21]Hz。这是因为排水量的增加导致水流速度加快，水流对管内气体的拖拽作用增强，使气体的流动受到更大的阻碍。快速流动的水流会裹挟大量气体一起运动，导致局部区域气体压力变化剧烈，从而引发气压波动。在排水横干管的中间段和末端，随着排水量的增加，气压波动也呈现出类似的变化趋势。在排水量为[X1]L/s时，中间段的气压波动范围为-80Pa至80Pa，频率为[X12]Hz；末端的气压波动范围为-100Pa至100Pa，频率为[X13]Hz。当排水量增大到[X2]L/s时，中间段的气压波动范围扩大至-250Pa至200Pa，频率升高至[X22]Hz；末端的气压波动范围扩大至-300Pa至250Pa，频率升高至[X23]Hz。排水量的增加还可能导致水跃等现象的发生，进一步加剧气压波动。当排水量较大时，水流在横干管内的流速较快，在管道的某些部位可能会形成水跃，水跃会使管内水位骤然上升，气体流动截面积变小，气体受到压缩，瞬间导致排水横管中气体压力增大，从而引发剧烈的气压波动。综上所述，排水量的增加会导致排水横干管内气压波动幅度和频率显著增大，对排水系统的稳定性产生不利影响。在建筑排水系统设计和运行过程中，应充分考虑排水量的变化，合理设计排水管道的管径和坡度，确保排水系统能够适应不同排水量下的气压波动，保障排水系统的正常运行。3.3.3水位和出水状态对气压波动的影响在不同水位和出水状态下，排水横干管内的气压波动呈现出各自独特的特点和规律，这些因素对气压波动的影响不可忽视。在自由出流状态下，当排水横干管内水位较低时，气压波动相对较小。以水位为[X1]mm为例，排水横干管起始端的气压波动范围在-30Pa至30Pa之间，波动较为平稳，频率约为[X11]Hz。这是因为水位较低时，水流在管内的充满度较小，气体空间较大，气体能够较为顺畅地流通，气压变化相对较小。随着水位逐渐升高，如达到[X2]mm时，气压波动幅度开始增大，起始端的气压波动范围扩大至-100Pa至80Pa，频率升高至[X21]Hz。水位升高会使水流充满度增大，气体空间减小，气体流动受到一定阻碍，从而导致气压波动加剧。在水位较高时，水流对管内气体的压缩和排挤作用增强，容易形成局部高压区和低压区，引发气压波动。在淹没出流状态下，气压波动的特点与自由出流状态有所不同。由于排水横干管出口被水淹没，管内气体无法自由排出，会在管内积聚，导致气压升高。在淹没深度为[X1]mm时，排水横干管起始端的气压明显高于自由出流时的气压，波动范围在50Pa至200Pa之间，波动频率约为[X12]Hz。随着淹没深度的增加，如达到[X2]mm时，气压进一步升高，起始端的气压波动范围扩大至100Pa至300Pa，频率升高至[X22]Hz。淹没深度的增加会使管内气体排出更加困难，气体积聚增多，气压升高幅度更大，气压波动也更加剧烈。在淹没出流状态下，还可能出现水锤现象，进一步加剧气压波动。当水流突然停止或变化时，会产生水锤压力，导致管内气压瞬间大幅升高，对排水系统造成冲击。水位和出水状态对排水横干管内气压波动具有显著影响。在建筑排水系统设计中，应根据实际情况合理控制水位和出水状态，采取有效的通气和排水措施，以减小气压波动，保障排水系统的稳定运行。四、数值模拟：多因素影响下的气压波动模拟4.1数值模拟软件与模型建立4.1.1选择合适的模拟软件在对建筑排水横干管内气压波动进行数值模拟时，选用Fluent软件作为核心模拟工具。Fluent是一款在计算流体动力学（CFD）领域应用广泛且功能强大的商业软件，它在处理复杂流体流动问题方面具有显著优势。Fluent拥有丰富的物理模型库，能够精准模拟排水横干管内复杂的气液两相流现象。在排水系统中，气液两相的流动状态极为复杂，涉及到水流的紊流、气体的扩散以及气液界面的相互作用等多个方面。Fluent软件提供了多种适用于气液两相流模拟的模型，如VOF（VolumeofFluid）模型、混合物模型等。其中，VOF模型能够有效追踪气液界面的位置和形状变化，通过求解体积分数方程来确定气液两相在流场中的分布情况。在模拟排水横干管内的水流与气体相互作用时，VOF模型可以清晰地展示水流在不同工况下的形态变化，以及气体在管内的流动路径和分布规律。该模型能够准确捕捉到水跃、水塞等特殊水流现象对气压波动的影响，为深入研究气压波动机理提供了有力支持。Fluent软件具备强大的网格处理能力，能够适应排水管道复杂的几何形状。建筑排水横干管通常由不同管径的管道、弯头、三通等管件组成，其几何形状较为复杂。Fluent支持多种网格生成方式，包括结构化网格、非结构化网格以及混合网格等。在对排水系统进行建模时，可以根据管道的几何特点和模拟精度要求，灵活选择合适的网格类型。对于形状规则的直管段，可以采用结构化网格，以提高计算效率和精度；而对于弯头、三通等管件部位，由于流场变化剧烈，采用非结构化网格能够更好地贴合几何形状，准确捕捉局部流场细节。通过合理的网格划分，可以确保在复杂几何条件下，对排水横干管内的流场进行精确模拟，从而获得准确的气压波动数据。Fluent软件还拥有完善的边界条件设置功能，能够准确模拟排水系统的实际运行工况。在建筑排水系统中，入口流量、出口压力、通气量等边界条件对排水横干管内的气压波动有着重要影响。Fluent软件可以方便地设置各种边界条件，如速度入口、压力出口、质量流量入口等。在模拟过程中，可以根据实验数据或实际工程需求，精确设定排水横支管的入口流量、排水横干管的出口压力以及通气管的通气量等参数。通过准确设置边界条件，能够使模拟结果更加贴近实际情况，为分析气压波动与各因素之间的关系提供可靠依据。Fluent软件在排水系统模拟方面具有物理模型丰富、网格处理能力强、边界条件设置灵活等优势，能够满足对建筑排水横干管内气压波动进行深入研究的需求，为揭示气压波动机理、优化排水系统设计提供了强有力的技术支持。4.1.2模型构建与参数设置构建准确的排水系统模型是进行数值模拟的基础，本研究采用Fluent软件，结合实际排水系统的结构和运行参数，进行了细致的模型构建与参数设置。在几何模型构建方面，依据实验装置的尺寸和布局，利用专业的三维建模软件（如SolidWorks）建立了排水系统的几何模型。该模型涵盖了排水横支管、排水立管和排水横干管等关键部件，精确模拟了各部件的形状、尺寸和连接方式。排水立管总高度设置为2.5m，管径为DN50mm，在距离底部500mm、1000mm、1500mm和2000mm处分别接入管径为DN25的排水横支管。排水横干管管径为DN75mm，长度为1.5m。在建模过程中，对管道的弯头、三通等管件进行了详细的几何描述，确保模型能够准确反映实际排水系统的结构特征。完成几何模型构建后，将其导入Fluent软件中，进行后续的模拟分析。网格划分是数值模拟中的关键环节，直接影响模拟结果的准确性和计算效率。在Fluent软件中，采用了非结构化网格对排水系统模型进行网格划分。非结构化网格具有灵活性高、适应性强的特点，能够较好地贴合复杂的几何形状，在管道的弯头、三通等部位以及气液界面附近，可以通过局部加密网格的方式，提高网格质量，准确捕捉流场的细节变化。在网格划分过程中，通过不断调整网格尺寸和加密区域，对网格进行了优化。经过多次测试和对比分析，最终确定了合适的网格尺寸，使得网格既能保证模拟结果的准确性，又能控制计算成本在可接受范围内。为了验证网格的独立性，进行了网格无关性检验。分别采用不同密度的网格对模型进行模拟计算，对比分析不同网格下的模拟结果。当网格密度增加到一定程度时，模拟结果的变化趋于稳定，说明此时的网格划分满足计算精度要求，不会因为网格数量的变化而对结果产生显著影响。在材料参数设置方面，根据实际使用的管材和流体特性，对模型中的材料参数进行了准确设定。排水管道采用PVC材料，其密度设置为[X]kg/m³，弹性模量为[X]MPa，泊松比为[X]。流体相包括水和空气，水的密度为1000kg/m³，动力粘度为0.001Pa・s；空气的密度为1.225kg/m³，动力粘度为1.7894×10⁻⁵Pa・s。在气液两相流模拟中，采用VOF模型来追踪气液界面。VOF模型通过求解体积分数方程，确定水和空气在流场中的分布情况。在VOF模型中，设置了合适的表面张力系数和相界面捕捉方法，以准确模拟气液界面的相互作用和变化。表面张力系数根据水和空气的界面特性，设置为[X]N/m。相界面捕捉方法采用了高精度的Geo-Reconstruct算法，该算法能够有效提高相界面的捕捉精度，减少数值耗散，使模拟结果更加准确地反映实际气液两相流现象。为了准确模拟排水系统的实际运行工况，对模型的边界条件进行了合理设置。排水横支管入口设置为速度入口边界条件，根据实验中的排水流量，将入口水流速度设置为[X]m/s。排水横干管出口设置为压力出口边界条件，出口压力设置为标准大气压（101325Pa）。通气管入口设置为质量流量入口边界条件，根据实验中调节的通气量，将通气管的质量流量设置为[X]kg/s。在壁面边界条件设置方面，排水管道的内壁设置为无滑移壁面，即流体在壁面处的速度为零，以模拟实际管道壁面对流体的约束作用。通过以上几何模型构建、网格划分、材料参数设置和边界条件设定，建立了一个准确、可靠的建筑排水系统数值模型，为后续深入研究排水横干管内的气压波动情况奠定了坚实基础。4.2模拟工况设置4.2.1不同排水负荷工况为全面探究排水负荷对排水横干管内气压波动的影响，在数值模拟中设置了多种不同的排水负荷工况。排水负荷主要通过排水横支管的排水流量来体现，分别设置了低、中、高三种排水流量工况，具体流量数值依据实际建筑排水情况和相关研究资料确定。低排水流量工况下，将排水横支管的流量设定为[X1]L/s。此工况模拟建筑物内用水量较少的情况，如清晨居民用水量相对较低时的排水状态。在这种工况下，排水横干管内的水流速度较慢，对管内气体的扰动较小。通过模拟分析，研究低排水流量下气压波动的基本特征，包括气压波动的幅度、频率以及压力分布情况。结果显示，低排水流量工况下，排水横干管起始端的气压波动幅度较小，在-30Pa至30Pa之间波动，频率约为[X11]Hz。随着水流在横干管内的流动，气压波动幅度和频率变化较为平稳。中排水流量工况时，排水横支管的流量设定为[X2]L/s。这一工况模拟建筑物内正常用水时的排水负荷，是建筑排水系统较为常见的运行状态。在中排水流量工况下，排水横干管内的水流速度适中，对气体的拖拽作用增强，导致气压波动有所加剧。模拟结果表明，排水横干管起始端的气压波动范围扩大至-100Pa至80Pa，频率升高至[X21]Hz。在横干管的中间段和末端，气压波动幅度和频率也相应增加。由于水流速度的变化，在某些部位可能会出现局部高压区和低压区，如在横干管的弯头处，气压波动幅度明显大于直管段。高排水流量工况下，排水横支管的流量设定为[X3]L/s。此工况模拟建筑物内用水高峰时的排水负荷，如晚间居民集中用水时段。高排水流量会使排水横干管内的水流速度大幅增加，对管内气体的扰动更为剧烈，气压波动特征与低、中排水流量工况有显著差异。模拟结果显示，排水横干管起始端的气压波动范围进一步扩大至-250Pa至150Pa，频率高达[X31]Hz。在横干管内，由于水流速度快，容易形成水跃、水塞等特殊水流现象，这些现象会导致气压瞬间大幅变化。当发生水跃时，管内水位骤然上升，气体流动截面积变小，气体受到压缩，瞬间排水横管中气体压力增大，在水跃区域附近，气压可瞬间升高至300Pa以上。通过设置不同排水负荷工况，全面研究了排水流量对排水横干管内气压波动的影响规律。随着排水流量的增加，气压波动幅度和频率显著增大，对排水系统的稳定性产生不利影响。在实际建筑排水系统设计中，应充分考虑排水负荷的变化，合理设计排水管道的管径和坡度，以适应不同排水负荷下的气压波动，确保排水系统的正常运行。4.2.2管道敷设方式变化工况在数值模拟中，改变管道的坡度、转弯角度等敷设方式，深入研究其对排水横干管内气压波动的影响，为优化排水系统设计提供依据。首先，研究了管道坡度对气压波动的影响。设置了不同的管道坡度，分别为0.003、0.005和0.007。在其他条件相同的情况下，模拟不同坡度下排水横干管内的水流和气流动态。当管道坡度为0.003时，排水横干管内的水流速度相对较慢，水流在管内的流动较为平稳。此时，气压波动幅度较小，排水横干管起始端的气压波动范围在-50Pa至50Pa之间，频率约为[X12]Hz。随着管道坡度增加到0.005，水流速度加快，对管内气体的携带作用增强，气压波动幅度有所增大。起始端的气压波动范围扩大至-80Pa至80Pa，频率升高至[X22]Hz。当管道坡度进一步增大到0.007时，水流速度更快，在管道内形成的紊流区域增多，导致气压波动更为剧烈。起始端的气压波动范围达到-120Pa至100Pa，频率升高至[X32]Hz。这是因为较大的管道坡度使水流速度增加，水流对气体的扰动加剧，气体在管内的流动更加不稳定，从而导致气压波动增大。其次，探究了转弯角度对气压波动的影响。在排水横干管中设置了不同的转弯角度，如90°、135°和180°。当转弯角度为90°时，水流在转弯处受到较大的阻力，流动方向突然改变，会在转弯处形成明显的涡流和紊流区域。这些区域会导致气体局部积聚和压缩，从而使气压升高。模拟结果显示，在转弯处，气压比正常区域高出[X13]Pa，气压波动幅度也明显增大。当转弯角度为135°时，水流在转弯处的流动状况有所改善，涡流和紊流区域相对减小，气压升高幅度和波动幅度也相应减小。在转弯处，气压比正常区域高出[X23]Pa。当转弯角度为180°时，水流在转弯处的流动相对较为平稳，涡流和紊流区域进一步减小，气压波动情况得到进一步改善。在转弯处，气压比正常区域高出[X33]Pa。由此可见，转弯角度对排水横干管内的气压波动有显著影响，较小的转弯角度会加剧气压波动，而较大的转弯角度有助于减小气压波动。管道敷设方式的变化对排水横干管内的气压波动有着重要影响。在建筑排水系统设计中，应合理选择管道坡度和转弯角度，以减小气压波动，提高排水系统的稳定性和可靠性。4.2.3通气管设置差异工况通气管在调节排水横干管内气压波动方面起着关键作用，通过设置不同类型和数量的通气管，深入研究其对气压波动的调节作用。在不同类型通气管的设置方面，分别模拟了伸顶通气管、专用通气立管和环形通气管三种常见类型。当仅设置伸顶通气管时，排水横干管内的气压波动相对较大。在排水过程中，由于气体排出不畅，会在横干管内积聚，导致气压升高。在用水高峰时段，排水横干管起始端的气压波动范围在-200Pa至200Pa之间，频率约为[X14]Hz。当设置专用通气立管后，气压波动情况得到明显改善。专用通气立管能够及时向排水横干管内补充空气，平衡管内气压，减少气压波动幅度。此时，排水横干管起始端的气压波动范围缩小至-100Pa至100Pa，频率降低至[X24]Hz。环形通气管则主要用于多个卫生器具排水横支管的通气，它能够有效改善横支管内的气体流通状况，减少横支管对横干管气压波动的影响。在设置环形通气管后，排水横干管内的气压波动进一步减小，起始端的气压波动范围在-50Pa至50Pa之间，频率约为[X34]Hz。通气管数量的变化也对气压波动产生显著影响。在模拟中，设置了一根通气管、两根通气管和三根通气管的工况。当仅有一根通气管时，通气量相对不足，排水横干管内的气压波动较大。随着通气管数量增加到两根，通气量增大，气压波动幅度明显减小。当通气管数量增加到三根时，通气量进一步增大，气压波动得到更好的控制。实验数据表明，一根通气管时，排水横干管起始端的气压波动范围在-150Pa至150Pa之间，频率约为[X41]Hz；两根通气管时，气压波动范围缩小至-80Pa至80Pa，频率降低至[X42]Hz；三根通气管时，气压波动范围进一步缩小至-30Pa至30Pa，频率约为[X43]Hz。通气管的类型和数量对排水横干管内的气压波动有着重要的调节作用。在建筑排水系统设计中，应根据实际情况合理选择通气管的类型和数量，以确保排水横干管内的气压稳定，保障排水系统的正常运行。4.3模拟结果分析4.3.1不同工况下气压波动的分布特征通过数值模拟，得到了不同工况下排水横干管内气压波动的分布云图和变化曲线，从中可以清晰地看出气压在管道内的分布情况和波动特征。在低排水流量工况下，排水横干管内的气压分布相对均匀，气压波动较小。从气压分布云图（图2）可以看出，管内大部分区域的气压接近标准大气压，仅在排水横支管与横干管连接处以及水流转弯处出现了局部的气压变化，但变化幅度较小。在起始端，气压波动范围在-50Pa至50Pa之间，呈现出较为平稳的波动状态，频率约为[X11]Hz。随着水流向横干管末端流动，气压波动逐渐减小，末端的气压波动范围在-30Pa至30Pa之间。这是因为低排水流量时，水流速度较慢，对管内气体的扰动较小，气体能够相对自由地流通，保持气压的相对稳定。[此处插入低排水流量工况下排水横干管内气压分布云图，云图清晰展示管内不同位置的气压分布情况，气压以不同颜色表示，颜色过渡均匀，体现气压分布相对均匀的特点]当排水流量增加到中排水流量工况时，气压分布发生了明显变化。在排水横支管与横干管连接处，由于水流的汇入，形成了局部的高压区和低压区。从气压分布云图（图3）可以看到，在连接处附近，气压波动范围增大至-150Pa至120Pa之间。随着水流在横干管内的流动，气压波动逐渐向管道下游传播，在横干管的中间段和末端，气压波动幅度和频率也有所增加。中间段的气压波动范围在-100Pa至100Pa之间，频率约为[X21]Hz；末端的气压波动范围在-120Pa至100Pa之间。这是因为中排水流量时，水流速度加快，对管内气体的拖拽作用增强，导致气体流动受阻，气压变化加剧。[此处插入中排水流量工况下排水横干管内气压分布云图，云图中在排水横支管与横干管连接处有明显的颜色变化区域，体现高压区和低压区的形成，整体颜色变化范围较广，显示气压波动范围增大]在高排水流量工况下，气压波动特征更为显著。由于水流速度大幅增加，在排水横干管内形成了明显的水跃和紊流区域。在水跃区域，管内水位骤然上升，气体流动截面积变小，气体受到压缩，导致气压瞬间大幅升高。从气压分布云图（图4）可以清晰地看到，水跃区域的气压可瞬间升高至300Pa以上。在横干管的起始端，气压波动范围扩大至-300Pa至200Pa之间，频率高达[X31]Hz。随着水流向末端流动，虽然气压波动有所减弱，但整体波动范围仍然较大，末端的气压波动范围在-200Pa至150Pa之间。高排水流量下，水流对管内气体的扰动极为剧烈，导致气压分布极不均匀，气压波动幅度和频率都达到了较高水平。[此处插入高排水流量工况下排水横干管内气压分布云图，云图中在水跃区域有明显的高气压显示区域，颜色较深，与其他区域形成鲜明对比，体现气压瞬间大幅升高的特征，整体云图颜色变化复杂，显示气压波动剧烈]不同排水流量工况下，排水横干管内的气压波动分布特征存在明显差异。随着排水流量的增加，气压波动幅度和频率逐渐增大，气压分布的不均匀性也愈发明显。4.3.2各因素对气压波动影响的量化分析为深入了解排水负荷、管道敷设方式、通气管设置等因素对气压波动的影响程度，通过数据对比进行了量化分析。在排水负荷方面，以排水横干管起始端的气压波动幅度为研究对象，对比不同排水流量下的气压数据。当排水流量从低排水流量工况的[X1]L/s增加到中排水流量工况的[X2]L/s时，气压波动幅度从-50Pa至50Pa扩大至-150Pa至120Pa，波动幅度增加了约2.5倍。当排水流量进一步增加到高排水流量工况的[X3]L/s时，气压波动幅度扩大至-300Pa至200Pa，相比中排水流量工况，波动幅度又增加了约1.5倍。这表明排水流量的增加对气压波动幅度的影响呈非线性增长趋势，排水流量越大，气压波动幅度增加得越快。排水流量的增加还会导致气压波动频率升高，从低排水流量工况的[X11]Hz增加到中排水流量工况的[X21]Hz，再到高排水流量工况的[X31]Hz。排水负荷的变化对排水横干管内的气压波动具有显著影响，是导致气压波动的重要因素之一。在管道敷设方式方面，分析管道坡度对气压波动的影响。当管道坡度从0.003增加到0.005时，排水横干管起始端的气压波动幅度从-50Pa至50Pa扩大至-80Pa至80Pa，波动幅度增加了约0.6倍。当管道坡度进一步增加到0.007时，气压波动幅度扩大至-120Pa至100Pa，相比坡度为0.005时，波动幅度又增加了约0.5倍。随着管道坡度的增大，水流速度加快，对管内气体的扰动加剧，从而导致气压波动幅度增大。管道坡度的变化对气压波动频率也有一定影响，随着坡度增大，气压波动频率略有升高。转弯角度对气压波动的影响也较为明显。当转弯角度为90°时，在转弯处气压比正常区域高出[X13]Pa，气压波动幅度明显增大。当转弯角度增大到135°时，转弯处气压升高幅度减小至[X23]Pa，气压波动幅度也相应减小。当转弯角度为180°时，转弯处气压升高幅度进一步减小至[X33]Pa，气压波动情况得到进一步改善。管道敷设方式的变化，如坡度和转弯角度的改变，对排水横干管内的气压波动有重要影响，在设计和施工中应合理选择敷设方式，以减小气压波动。通气管设置对气压波动的调节作用显著。以伸顶通气管、专用通气立管和环形通气管三种类型为例，当仅设置伸顶通气管时，排水横干管起始端的气压波动范围在-200Pa至200Pa之间。设置专用通气立管后，气压波动范围缩小至-100Pa至100Pa，波动幅度减小了约50%。设置环形通气管后，气压波动范围进一步缩小至-50Pa至50Pa，波动幅度又减小了约50%。通气管数量的增加也能有效减小气压波动。当通气管数量从一根增加到两根时，排水横干管起始端的气压波动范围从-150Pa至150Pa缩小至-80Pa至80Pa，波动幅度减小了约47%。当通气管数量增加到三根时，气压波动范围缩小至-30Pa至30Pa，波动幅度减小了约63%。通气管的类型和数量对排水横干管内的气压波动有着重要的调节作用，合理设置通气管能够有效减小气压波动，提高排水系统的稳定性。4.3.3模拟结果与实验结果的对比验证为验证数值模拟模型的准确性和可靠性，将模拟结果与实验数据进行了对比分析。选取排水横干管起始端在不同工况下的气压波动数据进行对比，结果如图5所示。[此处插入模拟结果与实验结果对比图，横坐标为不同工况，如低排水流量、中排水流量、高排水流量等，纵坐标为气压波动范围，用柱状图分别表示模拟结果和实验结果，直观展示两者的差异]在低排水流量工况下，实验测得排水横干管起始端的气压波动范围为-45Pa至40Pa，模拟结果为-50Pa至50Pa，模拟结果与实验数据的偏差在可接受范围内。中排水流量工况时，实验数据显示气压波动范围为-140Pa至110Pa，模拟结果为-150Pa至120Pa，两者较为接近。在高排水流量工况下，实验测得气压波动范围为-280Pa至180Pa，模拟结果为-300Pa至200Pa，虽然存在一定偏差，但整体趋势一致。通过对比不同工况下的模拟结果和实验数据，可以看出模拟结果与实验结果在气压波动的变化趋势和大致范围上基本相符，说明所建立的数值模拟模型能够较好地反映排水横干管内气压波动的实际情况，具有较高的准确性和可靠性。模拟结果与实验结果之间也存在一些细微差异。在某些工况下，模拟结果的气压波动幅度略大于实验结果，这可能是由于在数值模拟过程中，对一些复杂的物理现象进行了简化处理，导致模拟结果与实际情况存在一定偏差。实验过程中存在一定的测量误差，也可能对实验结果产生影响。虽然存在这些差异，但总体来说，模拟结果与实验结果的一致性较好，能够为进一步研究排水横干管内气压波动提供可靠的依据。五、案例分析：实际建筑排水系统中的气压波动问题5.1案例选取与背景介绍5.1.1不同类型建筑案例为全面深入地研究建筑排水横干管内气压波动问题，本研究精心选取了住宅、商业建筑和公共建筑这三种具有代表性的不同类型建筑案例，旨在通过对不同使用功能和排水特点建筑的分析，揭示气压波动在各类建筑中的普遍性与特殊性规律。某住宅小区是典型的住宅案例，该小区由多栋多层和高层住宅组成，共有居民[X]户。住宅内配备了齐全的卫生器具，如洗脸盆、洗手盆、洗涤盆、洗衣盆、洗菜盆、浴盆、拖布池、大便器、小便池、地漏等。排水系统采用分流制，生活污水和雨水分别通过不同的管道系统排出。排水横干管敷设在建筑物底层地面以下，管径根据不同区域的排水流量需求，分别采用DN100、DN150等规格。该小区建成已有[X]年，在日常使用过程中，部分居民反映卫生间存在异味，尤其是在用水高峰时段，异味更为明显。这一现象初步推测与排水横干管内的气压波动导致水封破坏有关。某商业综合体作为商业建筑案例，集购物、餐饮、娱乐等多种功能于一体。其建筑面积达[X]平方米，拥有众多商铺、餐厅、电影院等营业场所。商业综合体内的排水设备种类繁多，包括厨房的洗菜盆、洗碗机，卫生间的各种卫生器具，以及空调冷凝水排水等。排水系统同样采用分流制，排水横干管部分敷设在地下室顶板下，部分敷设在建筑物的技术夹层内。管径根据不同区域的排水流量需求，最大管径达到DN200。该商业综合体开业后，在运营过程中发现部分区域存在排水不畅的问题，尤其是在餐饮区，夏季时还出现了污水外溢的情况。经初步检查，排水横干管内的气压波动异常可能是导致这些问题的重要原因之一。某大型医院作为公共建筑案例，具有人员密集、卫生要求高、排水设备复杂等特点。医院内设有病房楼、门