排水系統流體現象與相關理論

一、建築排水立管內排水流體現象探討

器具排水流入至排水立管會形成一個隨時間變動且不穩定的流體現象，這種現 象可引用作為相關研究的參考基礎。實際的排水立管中排水是一種包含有污物、排 水及空氣的複雜混相流體現象；其中，排水立管內氣流發生變動，主要是管內排水 流下時與空氣混流及與管壁之間的摩擦交互作用誘引所致。由於這樣的特性，在排 水流入立管時，排水樓層以上各樓層產生正壓，而在以下各樓層則產生負壓的現象。

根據既往研究的結果顯示，通氣流量(Qa)已被認定是建築排水立管內空氣壓力 變動預測模型解析的關鍵參數：再則，當通氣流量成為建築排水立管性能評估的關 鍵項目時，後續的實驗操作解析過程中，可以被假設為類似送風機的氣流特性；因 此，送風機的流體分析原理可被引用於建築排水立管內空氣流動現象的探討，藉由 排水時各項參數的分析，如空氣密度、壓力、風速、重力加速度及阻抗係數等，以 釐清其機械性能。實際上，送風機的操作動力來源為電力，而排水立管內產生空氣 流動的能量來源為水的位能，從能量轉換的觀點來說，類似送風機理論在本研究中 應可適用；換言之，建築排水立管內的流體現象，可利用類似送風機理論加以模擬。

圖2.1 所示為排水立管內排水狀態與流動現象的概念，從圖中可以清楚瞭解空 氣壓力變動解析的主要參數，包括空氣壓力、通氣流量、摩擦係數等，這些將是作 為建築排水立管內空氣壓力分布預測模型的基本係數。

二、相關理論探討

美國給排水設計規範(National Plumbing Codes) 設計指針中部份被應用於設定 排水系統容許流量之依據，以作為指引建築排水系統設計之規範。^[3]參照日本於 1970 年代制定完成給排水衛生設備規準．同解說(HASS 203)所建立的理論基礎，定 流量實驗方法已經被併用於執行法令規範之參考以及性能評估技術中。自 1990 年 起日本根據超高層排水實驗塔(108 公尺高)及中高層排水實驗塔(30 公尺高)之實驗

結果與經驗，已經發展出排水立管內空氣壓力分布預測模型，同時建立了可行的操 作程序。[5] [6][12][14][15]

建築排水立管內空氣壓力預測模式，大致上將排水立管依排水流入位置分為四 區，依其個別特性各有獨立的解析技術，各分區部位概念如圖2.2 所示。此外，排 水立管空氣壓力分布係以一定時間內定流量排水達到穩態情形所引起的空氣壓力 變動平均值來呈現，並不包含排水流入時所產生的瞬間壓力變動。

(1) A 區

A 區(A Zone)代表排水樓層以上的伸頂通氣管部位，只有空氣流量變動，且空 氣流量受管路內表面的摩擦力所影響。

(2) B 區

B 區代表排水樓層以下因排水由水平支管匯入立管時造成部分管徑閉塞，而誘 引產生最大管內空氣負壓的部位。

(3) C 區

C 區代表在最大管內負壓後一直到產生正壓力的低樓層位置，立管內空氣壓力 成等比例逐漸恢復平衡的部位。與類似送風機理論相同的原理，立管內部空氣壓力 變動，是起因於水與空氣的位能與動能轉換，排水在立管內向下流動時，摩擦力與 重力的交互作用下使排水落下加速度逐漸減緩，如圖1 所示，進而使管內空氣壓力 平穩地增加。

根據既往研究的經驗，作用於排水表面的摩擦力，推測與大部分管內排水與空 氣的速度變動量平方值成比例關係。^[5]

(4) D 區

D 區則代表接近低樓層位置，因由排水立管排水匯入橫主管之接續部位時會產 生水跳現象(Hydraulic Jump)，而使立管內空氣呈現正壓的部位。D 區亦受空氣阻抗 影響，可利用阻抗係數來計算D 區的空氣壓力分布。

建築排水立管內空氣壓力預測模型中，立管通氣流量Qa 或管內風速 Va 是一項 關鍵因子的理論已被確認，可由 Qa 或 Va 導引推估排水立管各分區空氣壓力的公 式，並可組合呈現完整的建築排水立管空氣壓力分布情形。本研究即有效運用依據 此一理論所規劃的實驗設施，利用排水流量控制及評估立管內最大壓力變動產生位 置的結果作為基礎，進行相關水封水位變動觀測實驗。

日本明治大學坂上恭助教授針對建立存水彎性能實際評估方法進行研究，將已 知會影響水封損失共振現象，納入評估項目中，嘗試瞭解水封水位變動值，並解析

第二章 文獻回顧與排水設計理論探討

其影響因子及相關性。^[16]

本研究依循單管排水立管的壓力變動分佈與預測模式理論，運用本所衛生管路 實驗設施的單管式排水立管系統作為基礎，進行器具存水彎水封強度性能試驗的實 驗解析作業，進一步探討其設計性能要件。

Flow feature Interaction Mechanism Invert model Pipe with only air volume

Lateral drainage inlet

Terminal fall flow zone

Main drain A ZORE

Resistance invert ξA

ξA Due to stack length

Qa

Water inle t from lateral drain

Inte raction Qa

Re sistance invert ξB

ξB

Due to discharge flow rate and joint charac ter

Qa Water mixes with air

Interac tion

Gravity

CB

Power dominat ed by gravity and mechanism like fan machine constant pressure

gradient invert CB Qa

Main horizont al drain Hydraulic jump

Resist anc e inve rt ξD

Due to discharge flow rate and joint charact er ξD G

Inlet

Outlet Inte raction

圖2.1 建築排水立管內排水流體現象概念圖^[10]

Negative pressure Positive pressure

Peak negative pressure

Discharge height

Negative pressure

Positive pressure

Atmospheric pressure

L

Ventilation stack with no water

Inlet of discharge, accelerating range

Falling water with constant velocity

Main horizontal pipe, hydraulic range Drainage stack

圖2.2 垂直立管管內壓力預測模式分區概念圖^[10]