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流體力學漩渦產生的原因范文1
關鍵詞：箱涵；水頭損失；實例；水利設計；水利工程
引言
液體的粘性是液流能量損失的根本原因。根據邊界的形狀和和尺寸是否沿程變化和主流是否脫離固體邊壁或形成漩渦，把水頭損失分為沿程水頭損失hf和局部水頭損失hj，兩大類。
當固體邊界的形狀和尺寸沿程不變時，液流在長直流段中的水頭損失稱為沿程水頭損失。在其流段中，流線彼此平行，主流不脫離邊壁，也無漩渦發生。當固體邊界的形狀、尺寸或兩者之一沿流程急劇變化時所產生的水頭損失稱為局部水頭損失。在產生局部損失的地方，主流與邊界分離，并在分離區有漩渦存在。在漩渦區內部，紊動加劇，同時主流與漩渦區之間不斷有質量與能量的交換，并通過質點與質點間的摩擦和劇烈碰撞消耗大量機械能。如水流在管道突然收縮或流經閥門和突然擴大的范圍，均會發產生局部損失。
水流在全流程中，如有若干段長直流段及邊界有若干處突然改變，而各個局部損失又互不影響時，水流流經整個流程的水頭損失hw是各段沿程損失hf和各個局部損失hj的代數和。即hw=∑hf+∑hj。
由于產生局部損失的機理比較復雜，難以從理論上進行分析。通用計算公式中的局部水頭損失系數ζ，其數值主要取決于水流局部變化、邊界的幾何形狀和尺寸，可通過水力計算手冊表1-1-3查得相應圓管變化的局部水頭損失系數，但對于非圓管的過流斷面只能近似的應用相關系數，現就以南昌市豐和電排站引水箱涵為例，近似計算引水箱涵水頭損失。
1 工程概況
南昌市豐和電排站位于南昌市烏沙河豐和聯圩樁號5+900處，即昌九高速公路相交的烏沙河下游約215m。防洪標準采用50年一遇；城區20年一遇最大一日暴雨一日排至不淹重要建筑高程的治澇標準。本工程控制區域面積6.83km2，總設計排澇流量14.54m3/s（老站7.36m3/s，新站7.18m3/s），采用蓄澇、自排、電排相結合的治澇方案。豐和電排站總裝機容量為1810kW。（工程相關數據引自初步設計階段成果，后期階段數據有所變化，下同）主要建筑物由老站、擴建站、調蓄湖、引水箱涵組成，擴建工程主要涉及建筑物為擴建站、調蓄湖、引水箱涵。電排站擴建站特征水位：設計最高水位19.50m，設計水位17.00m，最高運行水位17.50m，最低運行水位15.50m。調蓄湖面積約100畝，岸線整治總長約1213m，引水箱涵位于調蓄湖的東北角，為鋼筋砼箱涵型式，孔徑2.5m×2.5m，樁號為調蓄湖1+213，連通老站和擴建站，總長1.27km。見平面布置圖（附圖1）。
2 引水箱涵水頭損失計算
總水頭損失的計算方法：hw=∑hf+∑hj；
式中：hf-沿程水頭損失；hj-局部水頭損失。
2.1 沿程水頭損失計算
2.1.1 計算公式
本次采用恒定均勻管流的沿程水頭損失計算公式。
2.1.3 計算結果
將上述賦值代入公式，可得沿程水頭損失hf=0.622m。
2.2 局部水頭損失計算
2.2.1 計算公式
式中：ζ進-進口段局部水頭損失系數；取為0.25；ζ出-出口段局部水頭損失系數；取為0.25；ζ彎-轉彎段局部水頭損失系數。
由于本工程的特殊性，即引水箱涵尺寸a（寬）×b（高）=2.5m×2.5m，在現有水力學知識基礎上，暫時沒有可供直接引用的計算公式，因此本次采用水力計算手冊表1-1-3查得的緩彎管公式，將箱涵尺寸按等面積控制，類化成圓管形式計算。計算簡圖（附圖2）及公式如下：
式中：d-箱涵經等面積類化成圓管形態下的管徑；經計算結果為2.523m；R-轉彎段圓弧半徑；200m；？茲-轉彎段圓弧角度；53°。
2.2.2 計算結果
將上述賦值代入公式，可得局部水頭損失hj=0.063m。
2.3 引水箱涵總水頭損失
經計算總水頭損失：hw=∑hf+∑hj=0.685m。
3 結果分析
3.1 全段以圓管短管計算的適用性分析
根據液體流動時沿程水頭損失和局部水頭損失所占的比重不同，有壓管道恒定流又分為短管和長管兩種。（1）短管：局部水頭損失和流速水頭與沿程水頭損失相比不能忽略，必須同時考慮的管道，稱為短管。如局部水頭損失和流速水頭大于沿程水頭損失的5%～15%，計算時必須按短管計算。（2）長管：管道中的水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重較?。ㄒ话阈∮?%），在計算中可予以忽略的管道[2]。
水力計算手冊指出，在管道系統中，局部水頭損失只占沿程水頭損失的5%～10%以下，或管道長度大于1000倍管徑時，在水力計算中可略去局部水頭損失和出口流速水頭，稱為長管；否則稱為短管。在短管水力計算中應計算局部水頭損失和管道流速水頭[4]。
本算例將箱涵視為圓管按短管近似計算，得到局部水頭損失占沿程水頭損失的比例為10.13%，管道長度為1085m（見表1），均不滿足長管“5%～10%以下”及“管道長度大于1000倍管徑的要求”，可見長管計算不適用于此算例，提示將引水箱涵視為圓管按短管計算其水頭損失是相對可行的。
3.2 轉彎段按局部水頭損失計算的適用性分析
本算例轉彎段選用了按局部水頭損失的方法進行計算，若按沿程水頭損失計算，得出總水頭損失為0.781m，局部水頭損失占沿程水頭損失的比例為7.22%；而按局部水頭損失計算，則總水頭損失為0.685m，損失比例為10.13%（見表1），相比之下，后者更偏離按長管計算的范圍（5%-10%以下），即更符合本算例按短管計算的特征。且與前者相比，后者總水頭損失更小，因而箱涵進出口底板的高差更小，出口底板更高，出口土方開挖、回填及擋墻等工程量均更少，可節約工程建設資金。
4 結束語
本次通過應用水力學中短管相關公式，應用于南昌市豐和電排站擴建工程引水箱涵水頭損失計算中，初步得出如下結論：一是將引水箱涵視為圓管，按短管計算其水頭損失是相對可行的；二是引水箱涵轉彎段按局部水頭損失公式計算比按沿程水頭損失公式計算更符合要求，且其結果對減少工程量、節約投資有利。但因缺乏更多試驗研究數據和工程實測資料，本例計算結論在箱涵水頭損失計算中的適用性（不同的箱涵斷面尺寸，箱涵長度，轉彎半徑，轉彎弧長等）還有待進一步的研究。
參考文獻
[1]四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室編.水力學[M].上冊.第5版.高等教育出版社，2016.
[2]張志昌.水力學[M].上冊.北京：中國水利水電出版社，2011.
流體力學漩渦產生的原因范文2
關鍵詞：建筑給排水；管道噪聲；防治措施
中圖分類號：TL353文獻標識碼： A
0.引言
隨著社會經濟水平的提高和計算機網絡技術的發展，很多工作已經可以在家里完成。人們每天在室內停留的時間越來越長，有數據表明，人們每天有超過80%的時間是在室內，這使得人們對室內環境的要求也越來越高，而室內噪聲污染極大地影響了室內環境的舒適度。為了追求舒適、安靜的居住環境，人們對如何減少室內噪聲污染越來越關注。
1.室內噪聲污染的來源
1.1給水管道造成的噪聲污染
給水管道的噪聲是造成室內噪聲污染的主要原因之一，具體噪聲產生主要是由下列原因引起的：（1）振動導致噪聲污染。管道水流的沖擊會讓給水管道產生振動，水流的流速快慢、方向的改變以及控制閥門等附件的啟動、關閉太快都會對管道造成振動，引起噪聲污染；高層建筑中的水泵也是造成管道噪聲污染的原因，水泵造成的噪聲會隨著管道傳入住房內部，對樓房底層的住戶影響非常大[1]。（2）氣蝕導致噪聲污染。氣蝕噪聲污染會隨著管道內部壓力的上升而加劇，在給水系統中，熱水給水管下行上給的管道中，冷水在加熱過程中使得冷水中的部分空氣被分離出來，在管道下行上給的出口最高的地方積聚、形成氣團，當出水口閥門開啟就會讓水流和氣體發生沖擊，造成噪聲污染。（3）水流導致噪聲污染。在管道中流動的水一定會發出聲音，流水噪聲會因為水流速度增加以及局部阻力增加而加劇。
1.2排水管道造成的噪聲污染
排水管道也是造成室內噪聲污染的主要原因之一，具體噪聲來源可以分為三類：（1）排水橫管的噪聲。室內的衛生器具排水會排至橫管中，橫管中的水流和管壁沖擊會導致噪聲，而且橫管中水躍以及空氣波動會引起水封導致冒氣泡出現噪聲污染。除此之外，排水的橫管支管中的水流在進入排水立管時沖擊連接部位的T型管道或者十字型管道也會發出噪聲。（2）排水立管的噪聲。在排水橫管和立管連接處的水流在下落過程中形成旋轉水膜層以及氣塞流，導致排水立管里的氣體壓縮或者膨脹發出噪聲。另外，水流與管道管體、管道中的氣流碰撞也會導致噪聲。（3）衛生器具導致的噪聲。室內衛生器具在排水的時候會因為出現渦流而產生類似抽氣的聲音，坐便器排水時導致的噪聲污染更大[2]。
2.防治室內給排水管道噪聲的措施
2.1給水管道的噪聲防治措施
給水管道的噪聲主要來自于管道振動、氣蝕以及水流，因而要降低室內給水管道造成的噪聲也可以針對這三個方面著手：（1）減少管道振動造成的噪聲污染。在建筑過程中應該在給水管道和支托架之間設置具有彈性的絕緣墊層，例如在給水管道穿越墻壁的地方，在管道外壁和洞口處要進行彈性材料的填充，從而減少管道的振動；在給水管道入戶的地方也可以設置減振設備，從而降低用戶在用水時的相互影響。（2）為了減少由于氣蝕而導致的噪聲污染，在下行上給的系統中，利用最高配水點進行放氣，如果入戶的支管上有分戶計量表，就可以在各個供水立管頂部安裝自動排氣閥門；在上行下給的系統中可以在配水主要管道的最高處和向上抬高的管道部位設置自動排氣閥門。（3）選用合適的管道材料，降低水流造成的噪聲污染[3]。管道材料的合適與否直接影響水流對給水管道造成噪聲污染的高低，因此一定要根據實際條件選用密度較大的給水管道材料，選用開啟、關閉較慢的出水口閥門和水龍頭；除此之外，還應該選用合適管道口徑的給水管道。給水管道的選用應該根據水流速度和管道口徑來協調，生活給水管道的主要管道水流速度每秒最好不要超過1.5米，支管的水流速度每秒最好不要超過1米，在設計過程中應該根據實際情況選擇較慢的水流速度并適當將給水管道的管徑放大。
2.2排水管道的噪聲防治措施
2.2.1 選用低噪音管道材料: 改革開放以來隨著建筑業日益蓬勃發展，特別是近些年，塑料管以價格低，安裝便捷，水流阻力小，無生銹現象，重量輕等優點在室內建筑排水系統工程中得以廣泛應運用，并且伴隨市場優勢愈發擴大，有逐漸取代傳統排水鐵管趨勢，但實際上塑料管道均有水流噪聲大(比普通排水鑄鐵管高約10dB左右)、隔聲效果較差等缺點，因此在對噪聲有嚴格要求的建筑中建議采用排水鑄鐵管，也可根據實際情況選用重量大并且隔聲效果較好的塑料管，如近幾年性能表現較好的U－ P V C 螺旋管等。另外，還可從改善排水水流工況角度出發，選用合適配件。
2.2.2選擇噪音小之排水器具
為減少坐便器和水箱進出水產生的排水噪聲,可改進坐便器結構,應選用消聲型坐便器,并且根據情況，選擇合適水箱高度,降低沖水壓力造成的噪音。坐便器沖水方式可分為虹吸式及沖落式兩種。
虹吸式分多種，虹吸漩渦式是依據虹吸和漩渦原理并用設計，因此噪聲最??；另外，噴射虹吸式采用獨特噴射孔，排水會引起強烈虹吸作用，噪聲較小；半虹吸式為介于虹吸式和沖洗式之間設計的排水器具，噪聲較大。而沖落式則依靠落差帶來的水流壓力將污物沖掉，構造較為簡單，噪聲最大，屬淘汰產品。
2.2.3加強建筑通氣能力: 建筑排水系統可依據通氣情形分為伸頂通氣式排水系統、雙立管式排水系統、器具通氣式排水系統和環形通氣式排水系統四種方式。 根據建筑要求，在通常情況下應優先選用雙立管式排水系統,設置專用通氣立管；其能有效提升立管排水能力,平衡立管的正負氣壓,并且減少出現氣塞現象,從而起到降低噪聲作用。
采用新型排水系統也可起到降低排水管道噪聲效果；在新型排水系統上部使用特制配件，具備控制雙立管形成理想空氣芯、防止橫管水流剪斷氣流功能；在下部特制配件，能減小水躍高度，穩定排水管氣壓。
2.2.4采用同層排水系統
根據《建筑給水排水設計規范》要求規定：住宅衛生間衛生器具排水管應避免穿越樓板進入住戶區。從考慮住宅業主私密性出發,各層各家管道問題應在同層或家中解決，由于異層排水系統經常遭遇非同層住戶在疏通管道過程中將管道捅破,或漏水需更換管道等情況，污水容易將下層住戶空間污染。同層排水系統設計指衛生器具排水管道（排污橫管和水支管）不穿越樓層進入住戶。在同樓層內平面施工設計使污水及其廢棄物排放達到甚至超過同類和其他排水方式，進入排水總管（主排污立管）處，如遇發生需要緊急疏通清理情況，在本層排水系統內即可處理的排水方式。。
2.3對管道和房間進行合理布置
要降低室內給水管道和排水管道造成的噪聲污染還可以通過對管道和房間的布局進行合理安排來實現。盡量將水泵房、衛生間等有給水、排水設備的房間相鄰布置，并且與臥室、工作室等對周圍環境要求較高的房間隔開，例如用客廳隔開衛生間和臥室、工作間。水泵房的機械噪聲污染比較大，為了避免空氣傳播加劇噪聲污染，不宜將水泵房布置在高層建筑以外的房間，而應該將水泵房設置在建筑物底層的地下室中。除此之外，為了減少噪音污染還應該對水泵房內的設備進行選擇，例如選用性能好、噪聲低的水泵機組，在水泵的進出水口設置減振機頭等[4]。
結語
噪聲污染對人體和建筑物的損害不可小覷，在室內給排水管道中的噪聲污染是很難被完全消除的。為了創建更好、更舒適的生活環境，應該在建設過程中采取相應手段對給水管道、排水管道造成的噪聲進行一定的防治措施。本文從防治角度出發，對室內給水管道、排水管道噪聲的預防提出了幾點建議，但是，在實際的建設過程中，應該根據具體情況進行具體分析，利用自身的技術條件和經濟條件進行優化，從而對噪聲污染進行合理防治，創造舒適、安靜、健康的室內生活環境，提高人們的居住水平。
參考文獻：
[1]馬惠欽,李明輝.談噪聲的危害與防治[J].生物學教學,2004,29(3):11-12.
[2]蔡增基,龍天渝.流體力學泵與風機[M].第4版.北京:中國建筑工業出版社,1999.
