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管道曲线效应
2020-11-09 15:09:56    浏览次数:
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作者:王向坤
        管道因其约束、传导性质而被人类加以改造和利用,实践中,根据不同的使用场合及介质的不同,对其结构进行了各种优化,以增强介质的物理特性,从而实现更好的传导目的。 
        一般而言,为了实现最快传导,路径尽量被设计为最短,这是站在宏观的角度;但是,流体运动有其自身特性,因此,在局部微观,顺应流体运动特性的结构改变,能够稳定、增强管道的传输效果。 
        在各种结构设计中,有一种曲线结构具有一定的代表性,曲线表现为外部形态以及内部结构上,能够起到稳定、增强管道介质物理特性的作用,我们称之为管道曲线效应。 
        城镇附近的火力发电厂,常可见双曲线冷却塔,其高大、特定的外形,很容易吸引人们的注意力,只要学过高中数学,对其结构则不难理解。与高大的烟筒一样,自然存在一个上下空气压差,风会从塔底流入,热水与空气在塔中交换热量,空气变热,从而在水塔中的流动更快,不受外部风力影响,还起到更好的冷却效果。所以,远处看到的冷却塔,冒着蒸汽;在近处看呢,则是哗哗的流水落到下面的集水池。 
        虽说,冷却塔整体是一个很大的单体建筑设施,但其结构仍然属于管道的范畴,利用了管道的传输原理、曲线结构的特性和地球重力特性,实现了热水冷却循环利用的目的。 
        从某个角度说,人类的历史就是一部斗争史,武器是重要的斗争工具,由冷兵器发展到现在的热兵器,曲线效应一直在发挥作用。虽然,很多人是不会接触到枪支的,但是,不妨碍人们通过媒体等渠道对于枪支等兵器的了解。 
        来复线,枪管中的膛线,就是枪膛中的螺旋状沟槽,能够让子弹产生自转,提高子弹射出后飞行中的稳定性,普通人也就知道这么多。与冷却塔一样,这段很短的枪管也是管道。 
        我们再说说身边的事物,那就是建筑排水立管。对于农村的平房,一般利用房顶的坡度和房檐的特殊设计,实现雨水的排放。而现代建筑,尤其是楼房,建筑物内的废水、污水排放就需要专门的立管。这段在每家的厨房和卫生间墙角都能见到的立管,我们很少干预它,除非堵住了,需要疏通。这段管道还有不同之处吗? 
        新房装修施工,第一件事就是改水电,水管的材质由铝塑发展到PE,而整体的圆形和内部的光滑都是为了减少阻力,便于水的传输,这是人们的一般常识。从外形上看,建筑室内排水管道外形也是圆的,内部怎么样?是不是也是光滑的?
        从《建筑排水内螺旋管道工程技术规程》(TCECS_94-2019)标准中关于内螺旋管的定义可知,内螺旋管是指管内壁有一条或多条凸出螺旋肋的圆管,根据螺旋肋螺距的大小分为普通型和加强型,根据材质区分为塑料和铜塑复合加强型。
        规程中规定,内螺旋管只用于排水立管,不得用于排水横管,螺旋肋对排水横管的水流不仅没有促进作用,反而会影响横管水流的流速和流向。内螺旋管用于通气系统会增加工程造价,本规程不推荐使用。 
        什么是螺旋肋?顾名思义,螺旋形凸起的肋片,内螺旋指的就是管道内壁的螺旋肋片,再配合上加强型旋流器,可以使立管水流和横支管水流在排水立管中形成旋流,留出管中心通道为气流通道,气流、水流两相流互不干扰,对提高排水立管排水能力,改善水力工况和降低水流噪声,都有明显效果。 
        大多数人都有这样的常识,当从瓶子里往外倒水时,水并不是一下子就流了出来,在水流出的同时,多出的空间需要流进空气,所以,水是一股一股的流出来。 
        具体讲,螺旋方向是大前提,由于地球自转的影响,水流在排水立管中的垂直方向流动是有方向性的,北半球是逆时针方向旋转,南半球是顺时针方向旋转,螺旋肋的方向应该与之一致。螺旋肋高度不能太小,高度过小对形成旋流不起作用,也不能过大,过大影响水流断面。
        我们可以认为这也是一种管道曲线效应,这种曲线效应首先是垂直水流的旋转曲线效应,为了适应这种效应,管道内壁增加螺旋结构,从而稳定、强化垂直水流的通过效果。管道曲线效应来自于介质的通过特性,通过管道结构的曲线改造,从而达到顺应介质通过特性的效应。 
        建筑排水内螺旋管起源于上世纪五十年代的欧洲,那时还是外形的螺旋结构,经韩国改进为内螺旋管,1996年引入我国。在国内,内螺旋管排水系统的优点已得到业内人士的首肯,并在国内许多地域得到应用,有些省市已成为生活排水的主流系统,受到用户的欢迎。 
        对于市政排水,由于管线服务工程的推进,市政排水管道正在实施清淤、检测和修复工作。而排水管道的缺陷包括结构性缺陷和功能性缺陷,是影响排水功能的主要原因,排水修复就是修补缺陷,恢复排水功能。沟渠之外,排水管道基本都是圆的,材质以砼、塑料为主,内壁光滑。这种重力自流管道,设计上需要一定的坡度,内部不能有阻碍水流运行的障碍物存在。与建筑排水的立管相比,市政排水管道基本属于横管,前面已经说过,内螺旋管不能用于横管,自然就不能用于市政排水管道。 
        市政排水之外,还有市政供水,这种带压管道要求内壁光滑,尽量减少水力损失,而供水管道不锈钢内衬修复的目的之一也是这个道理。从材质上来说,不锈钢内衬复合材质管道具有其特定的应用。 
        我们关于管道曲线效应的探讨先说到这里。
注:文中部分图片来自网络
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