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流体力学漩涡产生的原因范文1
关键词：箱涵；水头损失；实例；水利设计；水利工程
引言
液体的粘性是液流能量损失的根本原因。根据边界的形状和和尺寸是否沿程变化和主流是否脱离固体边壁或形成漩涡，把水头损失分为沿程水头损失hf和局部水头损失hj，两大类。
当固体边界的形状和尺寸沿程不变时，液流在长直流段中的水头损失称为沿程水头损失。在其流段中，流线彼此平行，主流不脱离边壁，也无漩涡发生。当固体边界的形状、尺寸或两者之一沿流程急剧变化时所产生的水头损失称为局部水头损失。在产生局部损失的地方，主流与边界分离，并在分离区有漩涡存在。在漩涡区内部，紊动加剧，同时主流与漩涡区之间不断有质量与能量的交换，并通过质点与质点间的摩擦和剧烈碰撞消耗大量机械能。如水流在管道突然收缩或流经阀门和突然扩大的范围，均会发产生局部损失。
水流在全流程中，如有若干段长直流段及边界有若干处突然改变，而各个局部损失又互不影响时，水流流经整个流程的水头损失hw是各段沿程损失hf和各个局部损失hj的代数和。即hw=∑hf+∑hj。
由于产生局部损失的机理比较复杂，难以从理论上进行分析。通用计算公式中的局部水头损失系数ζ，其数值主要取决于水流局部变化、边界的几何形状和尺寸，可通过水力计算手册表1-1-3查得相应圆管变化的局部水头损失系数，但对于非圆管的过流断面只能近似的应用相关系数，现就以南昌市丰和电排站引水箱涵为例，近似计算引水箱涵水头损失。
1 工程概况
南昌市丰和电排站位于南昌市乌沙河丰和联圩桩号5+900处，即昌九高速公路相交的乌沙河下游约215m。防洪标准采用50年一遇；城区20年一遇最大一日暴雨一日排至不淹重要建筑高程的治涝标准。本工程控制区域面积6.83km2，总设计排涝流量14.54m3/s（老站7.36m3/s，新站7.18m3/s），采用蓄涝、自排、电排相结合的治涝方案。丰和电排站总装机容量为1810kW。（工程相关数据引自初步设计阶段成果，后期阶段数据有所变化，下同）主要建筑物由老站、扩建站、调蓄湖、引水箱涵组成，扩建工程主要涉及建筑物为扩建站、调蓄湖、引水箱涵。电排站扩建站特征水位：设计最高水位19.50m，设计水位17.00m，最高运行水位17.50m，最低运行水位15.50m。调蓄湖面积约100亩，岸线整治总长约1213m，引水箱涵位于调蓄湖的东北角，为钢筋砼箱涵型式，孔径2.5m×2.5m，桩号为调蓄湖1+213，连通老站和扩建站，总长1.27km。见平面布置图（附图1）。
2 引水箱涵水头损失计算
总水头损失的计算方法：hw=∑hf+∑hj；
式中：hf-沿程水头损失；hj-局部水头损失。
2.1 沿程水头损失计算
2.1.1 计算公式
本次采用恒定均匀管流的沿程水头损失计算公式。
2.1.3 计算结果
将上述赋值代入公式，可得沿程水头损失hf=0.622m。
2.2 局部水头损失计算
2.2.1 计算公式
式中：ζ进-进口段局部水头损失系数；取为0.25；ζ出-出口段局部水头损失系数；取为0.25；ζ弯-转弯段局部水头损失系数。
由于本工程的特殊性，即引水箱涵尺寸a（宽）×b（高）=2.5m×2.5m，在现有水力学知识基础上，暂时没有可供直接引用的计算公式，因此本次采用水力计算手册表1-1-3查得的缓弯管公式，将箱涵尺寸按等面积控制，类化成圆管形式计算。计算简图（附图2）及公式如下：
式中：d-箱涵经等面积类化成圆管形态下的管径；经计算结果为2.523m；R-转弯段圆弧半径；200m；？兹-转弯段圆弧角度；53°。
2.2.2 计算结果
将上述赋值代入公式，可得局部水头损失hj=0.063m。
2.3 引水箱涵总水头损失
经计算总水头损失：hw=∑hf+∑hj=0.685m。
3 结果分析
3.1 全段以圆管短管计算的适用性分析
根据液体流动时沿程水头损失和局部水头损失所占的比重不同，有压管道恒定流又分为短管和长管两种。（1）短管：局部水头损失和流速水头与沿程水头损失相比不能忽略，必须同时考虑的管道，称为短管。如局部水头损失和流速水头大于沿程水头损失的5%～15%，计算时必须按短管计算。（2）长管：管道中的水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重较小（一般小于5%），在计算中可予以忽略的管道[2]。
水力计算手册指出，在管道系统中，局部水头损失只占沿程水头损失的5%～10%以下，或管道长度大于1000倍管径时，在水力计算中可略去局部水头损失和出口流速水头，称为长管；否则称为短管。在短管水力计算中应计算局部水头损失和管道流速水头[4]。
本算例将箱涵视为圆管按短管近似计算，得到局部水头损失占沿程水头损失的比例为10.13%，管道长度为1085m（见表1），均不满足长管“5%～10%以下”及“管道长度大于1000倍管径的要求”，可见长管计算不适用于此算例，提示将引水箱涵视为圆管按短管计算其水头损失是相对可行的。
3.2 转弯段按局部水头损失计算的适用性分析
本算例转弯段选用了按局部水头损失的方法进行计算，若按沿程水头损失计算，得出总水头损失为0.781m，局部水头损失占沿程水头损失的比例为7.22%；而按局部水头损失计算，则总水头损失为0.685m，损失比例为10.13%（见表1），相比之下，后者更偏离按长管计算的范围（5%-10%以下），即更符合本算例按短管计算的特征。且与前者相比，后者总水头损失更小，因而箱涵进出口底板的高差更小，出口底板更高，出口土方开挖、回填及挡墙等工程量均更少，可节约工程建设资金。
4 结束语
本次通过应用水力学中短管相关公式，应用于南昌市丰和电排站扩建工程引水箱涵水头损失计算中，初步得出如下结论：一是将引水箱涵视为圆管，按短管计算其水头损失是相对可行的；二是引水箱涵转弯段按局部水头损失公式计算比按沿程水头损失公式计算更符合要求，且其结果对减少工程量、节约投资有利。但因缺乏更多试验研究数据和工程实测资料，本例计算结论在箱涵水头损失计算中的适用性（不同的箱涵断面尺寸，箱涵长度，转弯半径，转弯弧长等）还有待进一步的研究。
参考文献
[1]四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室编.水力学[M].上册.第5版.高等教育出版社，2016.
[2]张志昌.水力学[M].上册.北京：中国水利水电出版社，2011.
流体力学漩涡产生的原因范文2
关键词：建筑给排水；管道噪声；防治措施
中图分类号：TL353文献标识码： A
0.引言
随着社会经济水平的提高和计算机网络技术的发展，很多工作已经可以在家里完成。人们每天在室内停留的时间越来越长，有数据表明，人们每天有超过80%的时间是在室内，这使得人们对室内环境的要求也越来越高，而室内噪声污染极大地影响了室内环境的舒适度。为了追求舒适、安静的居住环境，人们对如何减少室内噪声污染越来越关注。
1.室内噪声污染的来源
1.1给水管道造成的噪声污染
给水管道的噪声是造成室内噪声污染的主要原因之一，具体噪声产生主要是由下列原因引起的：（1）振动导致噪声污染。管道水流的冲击会让给水管道产生振动，水流的流速快慢、方向的改变以及控制阀门等附件的启动、关闭太快都会对管道造成振动，引起噪声污染；高层建筑中的水泵也是造成管道噪声污染的原因，水泵造成的噪声会随着管道传入住房内部，对楼房底层的住户影响非常大[1]。（2）气蚀导致噪声污染。气蚀噪声污染会随着管道内部压力的上升而加剧，在给水系统中，热水给水管下行上给的管道中，冷水在加热过程中使得冷水中的部分空气被分离出来，在管道下行上给的出口最高的地方积聚、形成气团，当出水口阀门开启就会让水流和气体发生冲击，造成噪声污染。（3）水流导致噪声污染。在管道中流动的水一定会发出声音，流水噪声会因为水流速度增加以及局部阻力增加而加剧。
1.2排水管道造成的噪声污染
排水管道也是造成室内噪声污染的主要原因之一，具体噪声来源可以分为三类：（1）排水横管的噪声。室内的卫生器具排水会排至横管中，横管中的水流和管壁冲击会导致噪声，而且横管中水跃以及空气波动会引起水封导致冒气泡出现噪声污染。除此之外，排水的横管支管中的水流在进入排水立管时冲击连接部位的T型管道或者十字型管道也会发出噪声。（2）排水立管的噪声。在排水横管和立管连接处的水流在下落过程中形成旋转水膜层以及气塞流，导致排水立管里的气体压缩或者膨胀发出噪声。另外，水流与管道管体、管道中的气流碰撞也会导致噪声。（3）卫生器具导致的噪声。室内卫生器具在排水的时候会因为出现涡流而产生类似抽气的声音，坐便器排水时导致的噪声污染更大[2]。
2.防治室内给排水管道噪声的措施
2.1给水管道的噪声防治措施
给水管道的噪声主要来自于管道振动、气蚀以及水流，因而要降低室内给水管道造成的噪声也可以针对这三个方面着手：（1）减少管道振动造成的噪声污染。在建筑过程中应该在给水管道和支托架之间设置具有弹性的绝缘垫层，例如在给水管道穿越墙壁的地方，在管道外壁和洞口处要进行弹性材料的填充，从而减少管道的振动；在给水管道入户的地方也可以设置减振设备，从而降低用户在用水时的相互影响。（2）为了减少由于气蚀而导致的噪声污染，在下行上给的系统中，利用最高配水点进行放气，如果入户的支管上有分户计量表，就可以在各个供水立管顶部安装自动排气阀门；在上行下给的系统中可以在配水主要管道的最高处和向上抬高的管道部位设置自动排气阀门。（3）选用合适的管道材料，降低水流造成的噪声污染[3]。管道材料的合适与否直接影响水流对给水管道造成噪声污染的高低，因此一定要根据实际条件选用密度较大的给水管道材料，选用开启、关闭较慢的出水口阀门和水龙头；除此之外，还应该选用合适管道口径的给水管道。给水管道的选用应该根据水流速度和管道口径来协调，生活给水管道的主要管道水流速度每秒最好不要超过1.5米，支管的水流速度每秒最好不要超过1米，在设计过程中应该根据实际情况选择较慢的水流速度并适当将给水管道的管径放大。
2.2排水管道的噪声防治措施
2.2.1 选用低噪音管道材料: 改革开放以来随着建筑业日益蓬勃发展，特别是近些年，塑料管以价格低，安装便捷，水流阻力小，无生锈现象，重量轻等优点在室内建筑排水系统工程中得以广泛应运用，并且伴随市场优势愈发扩大，有逐渐取代传统排水铁管趋势，但实际上塑料管道均有水流噪声大(比普通排水铸铁管高约10dB左右)、隔声效果较差等缺点，因此在对噪声有严格要求的建筑中建议采用排水铸铁管，也可根据实际情况选用重量大并且隔声效果较好的塑料管，如近几年性能表现较好的U－ P V C 螺旋管等。另外，还可从改善排水水流工况角度出发，选用合适配件。
2.2.2选择噪音小之排水器具
为减少坐便器和水箱进出水产生的排水噪声,可改进坐便器结构,应选用消声型坐便器,并且根据情况，选择合适水箱高度,降低冲水压力造成的噪音。坐便器冲水方式可分为虹吸式及冲落式两种。
虹吸式分多种，虹吸漩涡式是依据虹吸和漩涡原理并用设计，因此噪声最小；另外，喷射虹吸式采用独特喷射孔，排水会引起强烈虹吸作用，噪声较小；半虹吸式为介于虹吸式和冲洗式之间设计的排水器具，噪声较大。而冲落式则依靠落差带来的水流压力将污物冲掉，构造较为简单，噪声最大，属淘汰产品。
2.2.3加强建筑通气能力: 建筑排水系统可依据通气情形分为伸顶通气式排水系统、双立管式排水系统、器具通气式排水系统和环形通气式排水系统四种方式。 根据建筑要求，在通常情况下应优先选用双立管式排水系统,设置专用通气立管；其能有效提升立管排水能力,平衡立管的正负气压,并且减少出现气塞现象,从而起到降低噪声作用。
采用新型排水系统也可起到降低排水管道噪声效果；在新型排水系统上部使用特制配件，具备控制双立管形成理想空气芯、防止横管水流剪断气流功能；在下部特制配件，能减小水跃高度，稳定排水管气压。
2.2.4采用同层排水系统
根据《建筑给水排水设计规范》要求规定：住宅卫生间卫生器具排水管应避免穿越楼板进入住户区。从考虑住宅业主私密性出发,各层各家管道问题应在同层或家中解决，由于异层排水系统经常遭遇非同层住户在疏通管道过程中将管道捅破,或漏水需更换管道等情况，污水容易将下层住户空间污染。同层排水系统设计指卫生器具排水管道（排污横管和水支管）不穿越楼层进入住户。在同楼层内平面施工设计使污水及其废弃物排放达到甚至超过同类和其他排水方式，进入排水总管（主排污立管）处，如遇发生需要紧急疏通清理情况，在本层排水系统内即可处理的排水方式。。
2.3对管道和房间进行合理布置
要降低室内给水管道和排水管道造成的噪声污染还可以通过对管道和房间的布局进行合理安排来实现。尽量将水泵房、卫生间等有给水、排水设备的房间相邻布置，并且与卧室、工作室等对周围环境要求较高的房间隔开，例如用客厅隔开卫生间和卧室、工作间。水泵房的机械噪声污染比较大，为了避免空气传播加剧噪声污染，不宜将水泵房布置在高层建筑以外的房间，而应该将水泵房设置在建筑物底层的地下室中。除此之外，为了减少噪音污染还应该对水泵房内的设备进行选择，例如选用性能好、噪声低的水泵机组，在水泵的进出水口设置减振机头等[4]。
结语
噪声污染对人体和建筑物的损害不可小觑，在室内给排水管道中的噪声污染是很难被完全消除的。为了创建更好、更舒适的生活环境，应该在建设过程中采取相应手段对给水管道、排水管道造成的噪声进行一定的防治措施。本文从防治角度出发，对室内给水管道、排水管道噪声的预防提出了几点建议，但是，在实际的建设过程中，应该根据具体情况进行具体分析，利用自身的技术条件和经济条件进行优化，从而对噪声污染进行合理防治，创造舒适、安静、健康的室内生活环境，提高人们的居住水平。
参考文献：
[1]马惠钦,李明辉.谈噪声的危害与防治[J].生物学教学,2004,29(3):11-12.
[2]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,1999.
