水解酸化之倒U型管式脉冲布水器计算（五） / 开普饭

在选型时可能会看到下列数据：布水量50m³/h，直径1.8m，高度2.5m，脉冲周期4-6min，脉冲时间40s，脉冲次数10次/h，出水管管径200。你可能只在乎流量，其它数据根本不会关注，因为大多情况下是厂家提供，照单全收即可。还是好奇，虽说脉冲是虹吸原理，可以瞬间大流量出水，但是，到底这些数据怎么来的，都与什么有关呢？依旧对数字比较感兴趣。在介绍脉冲布水器水力计算之前，先回忆一下关于水力学上的一些推导计算。

1. 淹没出流

俗话说水往低处流，对于下图所示的淹没出流，可依据能量守恒定律建立1-1断面与2-2断面关系式（以下游水面为基准面）：

式中：Z₀为上下游水位差，m；p₁、p₂为上、下游水池表面大气压，pa；α₁、α₂为动能修正系数，一般取1；v₀、v₂为上、下游池内断面流速，m/s，可以忽略；h_w1-2为管道沿程及局部损失之和，m；h_沿、h_局分别为沿程损失和局部损失，m；λ为沿程阻力系数；L为管长，m；d为管道内径，m；v为管道流速，m/s；ξ为局部损失系数；μ为流量系数；Q为管道过流量，m³/s；A为管道断面面积，m²。

2. 虹吸介绍

虹吸管道，某种程度来说是一种压力管道，原理说起来很简单，上游水面首先高于下游水面（从这个层面来说，终极还是水往低处流），且管道内出现真空，上游水面大气压和管道内压强之间产生压差，水顺利通过且流向下游。一般来说，虹吸管顶部真空值理论上不能大于最大真空值，也即10m水柱，否则水流汽化破坏水流连续性，一般情况下不大于7-8m。虹吸现象可用于建水屋面大流量雨水排放、管道跨越高地、倒虹吸通过河底等，尤其对于前两者而言，虹吸排水具有流速大，流量大，可以采用较小管径等特点。

3. 计算

下图所示为一个倒U型虹吸脉冲布水器，随着进水的注入（一直进水）：

1）水箱底部水位上升，首先淹没布水主管右侧底部进水口，然后淹没虹吸破坏管下端进口。

2）随着水箱内水位上升，虹吸破坏管和布水主管右侧管内水位也随之上升，当布水管右侧管道水位上升至虹吸管进水口时，水流向右经虹吸管向下排出，水流快速排出过程中，布水主管内部上方积存的空气经虹吸辅助管随水流裹挟而排出管道，由此导致布水主管内部上方产生负压。

3）由于负压的存在，大气压作用下布水主管右侧管内水位快速上升至最顶端，然后经左侧布水主管向下排至下方池体内，负压排水过程迅速，管道过流量大，水箱内水位可以很快被排至低水位。

4）虽然水箱一直进水，但排水排的更快，当水箱水位下降到虹吸破坏管下方端口时，虹吸破坏。至此一个脉冲周期完成。

将一个脉冲周期分为三部分：进水时间t₁、排气时间t₂、虹吸排水时间t₃。以Q为50m³/h进水量，T_总为6min脉冲周期为例进行计算：

1）水箱高度：假设水箱直径D为1.8m，则1h脉冲次数10次，每次进水量V为5m³（6min脉冲周期内），可以得出水箱高度h₄（含0.5m安全高度，且其中0.1m为死水位）为：

2）一些参数：为保证虹吸管中水流速度，箱底至下方池内水面高度h₅取1.0m，虹吸管进口距离箱底高度h₁取1.3m，布水主管在水箱内的高度h₃取2.3m。布水主管右侧管底至箱底距离h_布_-_底为10mm，虹吸破坏管管底至箱底距离h_破_-_底为15mm。虹吸管管径D_虹取40mm，虹吸辅助管管径D_虹辅取20mm，虹吸破坏管管径D_虹破取20mm，布水主管管径D_布取200mm。

3）进水时间：进水时间t₁暂且认为发生在水位由池底（这里按最大考虑了）升至h₁高度所需的时间。

4）排气时间：当进水水位至h₁高度时，布水主管内气体总体积V_气为布水管内水面至池底水面之间管道内存留气体，近似为：

暂按1体积气体排放需要1体积水来替换，即V_气=V_虹排=0.14m³，这么多水量通过虹吸管排出所需要的时间为t₂，则有：

假设虹吸管淹没出流至下方水池内，根据上述淹没出流能量方程表达式有：

在t₁-t₂时刻内，水箱内水位相较于原有的h₁上升了h’，则有：

考虑到如果虹吸管能满足水箱内进水量的排出要求，那么布水主管的存在没有意义，显然实际也不会让这种情况发生，虹吸管管径有限，为便于方程求解（否则需要Matlap求解），暂定不考虑通过虹吸管流出那部分流量所带来的水箱内水位变化，因此上式可简化如下，经计算t₂为45s，相应的管内流速约2.5m/s。