给排水外文翻译(20160516120746)
题 目 在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究 沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
1 在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究 摘要在强调建筑环境的稳定性问题时我们总是将注意力直接集中于减少能量的消耗和物质
的使用。但是在设计给排水系统时容易的是将可持续的解决方法综合起来的可能性。我们可以很
清楚地辨别这种系统的基本功能但是传统的设计方法总是限制性能提高和水管工程经济性提高的
可能性。在一定程度上采用传统方法并不令人惊奇传统方法通过对稳定状态流体的设想巩固了
许多在世界广泛应用的规范和指导方针的地位。但是模拟法的改进意味着系统性能的改变起因于
新技术的应用、创新方法的融合和更多能够完全被评估的可持续性的设计方法。
这篇文章阐述了建筑给排水系统的综述这种系统通过发展人们已经完全能够评估它了在赫
瑞·瓦特大学有一套数值模拟模型就可以完成评估过程。如果使用适当形式的圣维南方程这个
模型通过应用差分技术的特性方法可以精确的预测给排水系统的压力和流动状态。本文提供了三种
应用的例子重点在设计过程中的内部的稳定性。
关键词水 排水 建筑 稳定性 数值模型 1.引言 在建筑给水和废物处理系统中需要供水时性能是务必保证的.关键的职能包含
饮用水的供给并且其应达到基本的卫生标准被废品污染的水能够及时排除并且在排
泄管、下水道与居住空间之间设置能够隔离臭气的物理屏障。建筑能够充分利用冲击雨
水和混合废水也是非常重要的尽管我们减少了不必要的损耗并且限制了下水道、排水
网和收集系统的负荷。在限制供水的供给和消耗、减少物质使用、降低成本和环境影响
的各个方面可持续性成为了设计理论的核心。建筑给排水系统因此为可持续性解决方
法的融合使用提供了大量的机会但是我们必须在保证运行性能的前提下施行因此
我们应当完全理解使用过程中系统的反馈表达。
通常情况下设计给排水设计系统时所采用的方法是由稳态原则的应用为基础并决
定的比如流动负荷和压力相应就是这样。尽管这些方法多少促进了系统规范确定性
的改变它们很少能有机会去评估随时间变化系统的信息以至于非常容易决定关键的
设计决策。下文的内容将因此阐明如何去理解一个伴随发展状态的系统的动态响应过
程在赫瑞·瓦特大学一套数值模拟模型已经促进了建筑给排水系
统的高效地设计和
分析过程从而能够对集成设计方案的创新性和可持续性的潜力进行综合的评估。值得
注意的是这点在整篇文章中“供水”这个术语将在建筑的供水的范围内出现,间接
地规定其是由大规模的网络供水的。
每一个构建模型都有助于赫瑞·瓦特大学发展的这套设备使用特征性方法技术。这
种技术首先被马索在1990年应用于河道径流然后在1947年被拉磨恩用于分析水锤现
象并且将圣维南连续方程和动量的适当形式转化成了一组完全不同的可以用差分方法
解决的微分方程。我们将这些方程的术语定义为C+或者C-特征方程并且在将来会定义
条件是一次每步一个节点就现在上下游的不同节点的条件来说。我们定义有限差网格使在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究
2 用独立变量位移x和时间t与因变量相关流体速度u和空气传播速度c或者u与水自
由面的深度h都与因变量相关。在系统的边界我们需要一个额外的方程去完成有限差
分的计算。因此我们将方程式定义成这样的概念视情况而定它在边界上提供静态或
者动态流体行为的信息。
理论上和经验上的这些边界方程的定义已经组成了赫瑞·瓦特大学过去和现在的
研究的核心部分。并且已经促进了三种构建模型的发展这三种构建模型在
DRAINNET,AIRNET和ROOFNET当中被提到。所有的都是以前面描述的特征技术方法作为
基础的并且每一个都被成功地运用到提高相关系统的设计方式中去。DRAINET用于处
理局部充满表面的瞬态分析也就是自由面管道流动主要强调建筑内部排水系统的
性能。它的应用已经扩展到包含局部明沟排水系统这种系统是由波减为特征的流态。
AIRNET通过预测对装置水封完整性有影响的压力和气流测试了排水通风系统的瞬态响
应能力然而ROOFNET评估了传统的和虹吸式的建筑雨水排水系统。从某种程度上来说
ROOFNET和DRAINET可以联合起来使用促进对从屋面排到局部排水系统的雨水的预测
这样取得的效果会更好。这篇文章将通过例子进行举例说明这些模型构建是如何应用
到建筑给排水系统的设计方面的旨在对该系统进行整合和增加内部的稳定性。 2.饮用水的使用和减少厕所冲水量的影响 可持续性的定义可能并且经常依赖于它所设置的环境。对于许多发达国家来说可
持续性将注意力放在比如说减少并优化能量和物质的使用然而在其他地区持续性
体现在对基本需求的供给的稳定性上。在后文中一个关键的目标是“到2015年如
果没有办法获得健康的饮用水和保障基本的卫生条件
人口所占的比例会减半”这个目
标是由联合国水和卫生小组传达的是与联合国千禧年发展目标相对应的。供给的饮用
水的大部分都用来冲洗厕所了这看起来在很多国家是违反直觉的。任何与厕所冲水量
的减少相关的直接节约的成本数还在不断地增加随着处理工艺的进步和给排水系统管
子型号的减小也促进了成本的节约。
建议书为大家介绍了任何厕所冲水量的减少总是会遇到对于卫生用具排除污染物
和其他物体的效率的注意并且也常常和它们的排水网的传递效率联系在一起。在美国
早年在大约1900年的时候冲水的数量多到了40升但是紧接着骤减到了9.1升然后
再到下一波骤减期花费了数十年的时间。从2001年起到现在法令规定对于安装来说
最大的冲水数量是6升并且减少的冲水数不能大于最大数目的三分之二因此看似不
成比例但是大约三分之一的国内的供水都用来提供厕所冲水了。
假设任意的废品都是有机的或者他们都达到了可冲洗标准因此注意力主要放在管
道运输废品到下游排水管或者下水道的性能方面。为卫生用具供水的流态本来就是不稳
定的并且在赫瑞·瓦特大学已经开展了大量实质性的工作同时在其他的地方我们
有这样的目标即预测排水管道携带离散固体方面设计上的改变或者水的消耗量的改沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
3 变会造成多大的影响。如果能够预测固体沉积物的坐落位置并且能否采取一些预防措
施那么很容易就可以避免堵塞的可能性。
下一段介绍的是展示管道工作性能的简单的例子当它受到可变的厕所排量的影响
后使用DRAINET可以评估它是否高效。在这种情况下如图一中显示的那样管二的
器具的冲水量是在3L4.5L6L9L之间变化的。在这挑选出来的四个排量中通过
采用这种类型的简况图我们能表示出来每一个冲水量。在这个例子中固体离开器具的
时刻是适度地不同的这是为了保证在所有的情况下它都先于流量最大值点。这是非
常重要的因为众所周知的是固体径流量除了与排水剖面、固体参数、管的倾斜度、管
径、粗糙度和底部流动的情况有关还与整体冲洗持续时间(也就是因此定义了“后续
流量”)有关固体径流量对于泄水管路的携带能力在初期固体的移动确保了足够长
的流动距离有非常重要的影响。
图1.厕所流量简况图2-管连接处原理图 在这个模拟过程中1s和5m下游管道相连的厕所的冲水量达到3L实际上是不可实
现的。所有的下游管道都规定直接必须达到100mm坡度在1-100之
间。
通过使用DRAINET可以同时模拟卫生间出流自由表面的衰减过程和离散固体沉积
物的坐落位置。这就需要提前定义边界条件方程式这个方程式是与流动深度、流速和
时间有关并且这个方程式决定了物理系统组件的位置产生的条件比如管节和水跃。
在任何离散固体的位置的流动条件都是由方程规定的我们也需要方程来帮助单一或
混合固体沉积物的模拟。
图2显示对于一个冲水量在6L或9L的器具来说固体沉积物的移动距离超过网络
模拟的也就是超过9m它显示固体已经成功地转移到下游连接点去了。对于冲水量是
3L或者4.5L的器具来说移动的距离分别是5.9m和7.9m因此它表明在这两种情
况下管三中的沉积物都会出现。这种方案总是被视为系统的失败之处我们常常通过
增大冲洗流量来弥补。但是通过调整管径到75mm在图二中可以显示泄水管路的承载在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究
4 能力可以到达7.8m和9m流量分别是3L和4.5L。对于一个离器具有9m远的下游连
接点就传递距离来说3L的冲水量所产生的流出量是不足的。但是通过模拟随后的
管一中的30s内的冲水量比如来自临近房产或者房间的流出量水流条件可以扩展
固体流动距离使其超过最低要求。
图2.经过DRAINET模拟的与卫生间排水量成正比的固体沉积物转移距离的比较图 这个例子说明了排水量的减少未必会引起网路泄水管道运载性能的降低。通过减少
管径在这种情况下传递能力是增加的。也可以通过调整管道倾斜角或者评估相连的
出流量来改善传递能力。
尽管展示出来的这个例子是建立在仅仅使用三种管道的基础上DRAINET能够清晰
地模拟任何数量的管道这些管道可以来自一个传统的建筑或者一个小的建筑群因此
在建筑给排水的设计过程中当我们准备实施一些节约水的政策或者追求可持续性时
它可以给我们关于设计最好的方案的信息。 3.在居住区域和排水管道区域保持物理分隔 任何从排水器具中产生的不稳定流都会自然而然地在管道内产生压力改变。压力改
变是非常正常的尤其是当垂直管经过放流时这段流体会形成环流或者当系统排放口
有想关的气流涌入时。任何排水管网的压力改变都对系统的总体相应产生影响但是主
要会产生暂时的压力偏离额定值这个额定值决定了存水弯的水封消耗的潜在值得大
小。一般来说以水为基础的水封是隔离居住空间和有害气体的屏障有害气体是由服
务于建筑整体的作为污水管道系统导管的排水管道产生的。因此为了防
止屏障被破坏
将压力改变降低到最小值是十分重要的因为压力改变可能会使水封内的水转移走。 沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
5 当一个或多个卫生器具的出流速率快速改变时空气压力瞬变最可能产生在排水系
统和通风设备的管道当中。图三阐明了垂管或者堆叠起来的管中环流是如何形成的尽
管有着“非滑动”的原理气流在多数情况下都是由上栈终止产生的。图三也显示了
已知点的流量是如何借助于空气压力的改变和系统相联系的并且当通风系统有上栈终
止时在所有连续的器具中是怎样产生一个强加的压力改变的。
图3.在堆栈管中的环状流流量的改变造成了空气压力的瞬变空气压力由于立管终止得
到了减轻 赫瑞·瓦特大学的数值模型AIRNET同样使用特征值方法技术去促进整个系
统压力的预测和气流响应。边界条件又要求使系统模拟下定义并且一个重要的赫
瑞·瓦特大学的工作的组成部分已经把注意力集中于代表驱动系统和组成部分的
描述性算法上取得的适当的理论和经验上的特征描述。这个模型也包括模拟空气-水
界面的先进的方法正如图四中显示的那样通过无量纲速率微分项目的整合可
以将模型从单一出流模拟中释放出来从而使对进水流量多重分支进行分析。系统
规范书的灵活性作为输入数据伴随着器具的排放模型因此能够允许对短暂的气
流和压力进行预测并且水封保留了一定高度从而在评估系统性能的响应的能力
上迈出了重要的一步其目的是使追求持续性的过程中一开始就得到改变。 在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究
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图4.控制装置提供有效通风图解 节约用水对于排水系统的流态有很明显的影响。一般来说流量减少的效果是
以堆叠终端水流速度整体的减少为特征的因此导致相应减少夹杂空气和系统压力。
但是减容器具排放的概要是显著依赖于时间的并且为了保证水封不被破坏瞬
态压力的影响必须继续进行评估。
仿真模型可以精确地预测系统的压力不仅是通过使用卫生间冲水量的减少来
达到用水消耗量减少的可能性同时也是为了在设计解决方法的融合过程中提高经
济效益。减少管道工程的话费效益是很明显的如果把维护、空间花费和环境影响
因素都综合考虑在内在安装的过程中它的好处会进一步得到加强。
简要的回顾排水通风系统的发展在过去的一个世纪系统在英国和欧洲的进沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
7 展主要是过度繁冗的双管系统包括四个垂直落水管
和单管系统(有两个垂直管
道)对于三十层以上的建筑主要是应用堆栈系统只有一个垂直的排水管。在
世界的一些地区已经不再使用单堆栈系统了由于潜在的过度压力产生的问题
但是对于非稳定流条件的起源和内在性质的了解可以知道在这样的系统中可以消除
这些顾虑。它不仅可以使用数值模拟技术显示单一堆栈技术是可行的可以很好的
运行也可以减少管材量AIRNET还可以促进对整体系统的预定义条件和安装的创
新、可持续的解决方案的评估。
下面文章要介绍AIRNET可以用来促进系统执行的三个例子。第一个例子是表
一中展示了AIRNET输入了用来证明2003年香港厦门花园SARS病毒传入的参数。详
细地阐明了事件发生的经过“非典”专家委员会报告了以水为基础的水封的基本作
用它允许水封干燥但是要引入排水管道和居住地的连接管。在过去的事件中当
加上引起浴室通风设备会导致显著的空气流动时AIRNET用来强调正常水压的变化
更重要的是当一个或多个水封被破坏时会混合进入污染空气从而造成严重的
后果。 系统类型
卫生间连接点的主要堆管和泄水管
管径 100mm堆管、100mm泄水管
楼层 33层
通风设备 平台终止堆栈管和泄水管
每个楼层的用水器具浴室 卫生间淋浴头洗涤槽地漏
设备连接浴室 卫生间直接到堆栈管地漏、淋浴头、
水槽到堆栈管的排水
水封的完整度 地面排水管干涸
应用的环境条件 由于排气扇浴室压力减少
应用的水流条件 正常排水中等高度和额外事件
表1.AIRNET输入澳门花园排水系统的数值模拟参数 避免屋顶结构渗透需要的好处它适应了上栈终止的条件并且在某个时刻已
经得到了实现尽管需要使用空气准入阀。这些阀门通过允许空气经过一个完整的
隔膜进入管道来相应负压但当遇到正压时它们就会关闭去防止恶臭和瘴气的泄
露。可以很清楚地显示使用AIRNETAAVs在管内的分布规律现在是按照国标
不管是除去还是代替AAVs的位置在图三中都可以提供问题所在必须要是水封减
少的可能性瞬态传播到整个网络更远的地方。
对于经过剧烈压力变化的系统来说比如我们在这里引入一个例子排水至
收集槽或者管道设计导致负荷过重的地方与工业伙伴合作在该大学做的研究
促进了正压力衰减器PAPA的发展。通过使用一个可调整的可变容量的安全壳
安全壳的主要目的是为了减少有可能产生飙升时间的气流速率的变动率压力衰减在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定
性的研究
8 器为建筑过载提供了保护因此可以进一步地避免通风设备不需要的花费图4中
可以看到。
图4可以清晰地显示PAPA是怎样结合空气准入阀去减少系统的正压和负压因
此可以不加入过多的通风管道就可以保障水封的完整性。图5显示了这一原则也可
以应用到更复杂的“密封”建筑即连接栈,总的来说,不需要屋顶渗透。当安全问题
的关心或者建筑设计可能被管道影响视觉效果时这种方法也可以应用。使用AIRNET
作为设计分析的工具可以显示AAVs位置的负压被减轻了(那里的空气会来自于一
个安全的内部平面因此保护了系统密封)。并且PAPA设备和可供选择的下水道连
接处的多样性一起要在正压衰减的范围以内。
图5.建筑封闭系统的四根立管没有局部开口 4.屋顶和小规模局部排水 在雨水传输和使用的范围内该学校在这方面做了大量的工作使ROOFNET的
数值模拟模型获得了巨大的发展。这个模型使用类似上面描述的模型的原则能够
评估传统、虹吸式的屋面排水系统的性能。虹吸式的排水系统与传统的有所不同
因为它的排水沟的深度足够高通过使用挡板在排水沟和落水管之间存在虹吸。它
们的流量很高并且在高强度的降雨期间工作的很好。从美学上讲,虹吸的系统往往
是首选,因为他们为特定的建筑减少所需落水管总数。在建立排水屋顶表面所需的水
管的行动中系统触发是关键。许多在该学校进行的研究都将注意力集中于从理论
上和经验上为合适的边界条件方程下定义这些边界条件方程代表瞬态过渡流。
ROOFNET模型也有能力模拟从“绿色”屋顶和透水固体结构留下来的水并且可
以很容易结合DRAINET模型用于小规模的排水管道工程在自由表面衰减控制流条件。沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
9 这些组件允许降雨通过的时间是从雨水落到屋顶到它在连接点形成沟再进入主要的
下水道结束的。
我们可以使用这样的一个例子一个屋子有1500㎡的屋顶并且有八根排水立
管周围是相同区域的透光和不透水的土地总计2000㎡,使用ROOFNET 和DRAINET
可以一起评估雨量较大时下水管道的性能。ROOFNET可用于确定落水管外流和透水的
径流和不透水区域。反过来输出为DRAINET输入数据流。作为一个例子图6可
以显示出来可透水表面的流量并且可以阐明在高强度的落雨时间中(被认为是
100mm/h)在9S和73s之间有有限流产生在时间过后临近的排水沟过高不会产
生流量。
图6.从1000㎡透水面积上以100mm/h下落密度的预测流量 通过模拟透水和不透水面积全部排水管道中
的流量和表示建筑排水量的时间
概况结合起来DRAINT可以用来决定下游的管道水流条件。图7模拟的输出显示
不透水面积的流量是透水面积流量的三倍支配了流动条件。建筑排水流量是很低
的并且是间断的影响非常小。
图7.以管道内流动为基础的DRAINET模拟原理图 在建筑给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究
10 DRAINET也可以用来辨别即将到来的水流条件的满径点的位置因此可以为脱机
储备装置的组成和安装位置提供建议从而避免出现局部的泛滥情况。识别局部危
险和洪水泛滥的位置随着城市化进程的加快和天气预测的改变变得越来越重要了。 5.结论 这个文章对赫瑞·瓦特大学排水系统模型的发展进行了一个简要的概述它不
仅提高了系统的性能但也促进了能够及时探索一系列创新的系统组件的实用性和
可持续的设计解决方案。每一个该大学采用的方法都用例子进行了显著的证明。使
用DRAINET模拟自由表面流动和离散固体沉积物的能力非常显著地促进了对于从卫
生器具中产生的排水量减少的评估工作的进行尤其是在卫生间中-这是一个不成比
例的高用水消耗物。在这里展示的例子证明了水量的减少不一定会导致性能的降低
通过调整管径和增加坡度它的性能可以得到提升。模拟多样流和多样器具网络的能
力也可得到加强。
通过评估瞬态压力和气流排水通风系统的响应情况AIRNET模型已经确定了在
2003年的香港厦门花园SARS病毒的传输路径。此外我们已经证明了本文中如何合
理分布的压力控制设备的集成可以显著地减少设计复杂管道和昂贵管道的需要。建
筑内部水封的抗干扰性我们也进行了讨论。
评估排水系统性能的方法已经展示出来了并且ROOFNET模型加上DRAINET可
以评估从屋面或者局部表面与合适的下水管的连接处处的雨水由衰减流条件的
传送能力。结果表明水如何从占据主导地位的不透水表面的中间管网络离开的并
且离线仓库是怎样用来避免洪水或者储存水的。
这篇文章因此证明了排水系统的功效不需要服从于过度设计也就是说不需要
过多的用水和繁冗的管道安装以及设计排水系统不需要一定受制于某些在固定的
在很多国家都应用的设计原则要灵活多变一些。此处的讨论的模型应用在这里担
任了系统瞬态响应的主要的评估功能并且整合可持续的解决方案这个解决方案
可以是个别的或者是整体的并且强调了对于水的消耗水平和对于给排水系统的经
济和环境方面尽量有积极的影响。 沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
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在建筑
给排水设计系统中的嵌入式稳定性的研究
12 沈阳农业大学学士学位论文外文翻译
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