实现城市有序排水防涝的蜗壳装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现城市有序排水防涝的蜗壳装置，包括城市的地下管网、以及与所述的地下管网连通的集水井，所述的地下管网连接主管路，所述的集水井的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置；所述的水流螺旋运动发生装置是蜗壳结构，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口和轴向出水口，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口以所述的蜗壳的侧面圆周的切线方向将水导入蜗壳的内腔。本发明可有效降低高地势区域集水井出水口管道的等效过流面积及其内部的水流流速，实现协调不同区域排水流量的目的，有助于缓解强降雨引起的城市内涝灾害。
【专利说明】实现城市有序排水防涝的蜗壳装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现城市有序排水防涝的蜗壳装置。
【背景技术】
[0002]在城市排水系统中，不同区域的地势差异显著影响着相应区域排水管道的排水能力以及在强降雨中的排水效果。根据流体力学有关理论，在水头压力作用下，管路中的水流流量随水头压力的升高而增大。所以，当各排水管路均为同一管径时，高地势区域由于较高的水头压力，管路具有更强大的排水能力，短时强降雨时，地表雨水汇入集水井后被排水管路快速排走；而地势低洼地带水头压力低，管路排水能力相对较弱，雨水难以及时排走而大量滞留。目前我国城市排水管网布局多为“连通器”型式(即在城市局部地区，高、低地势区域的排水管网共用同一主管路)，当雨量超过排水管网的负荷时，雨水从地势低洼区域集水井外溢，导致内涝灾害。另一方面，地表雨水在重力作用下从高地势区域流向地势低洼区域，加重低洼地带排水管网的负担，增加低洼地带内涝灾害的发生几率。
[0003]综上所述，城市遭遇短时强降雨时，地势低洼区域管网面临的排水负担高于高地势区域，而排水能力却弱于高地势区域。地下管网的这种排水状态对缓解城市内涝是极为不利的。在不改变地下管网条件下，适当削弱高地势区域的排水能力，让地势低洼区域优先排放是改变这种排水状态的一条有效途径。
【发明内容】
[0004]为了解决在城市遭遇强降雨时现有排涝方式不能有效限制高地势区域的雨水排放速度、极易造成低地势区域内涝灾害的不足，本发明提供一种能够有效限制高地势区域的雨水排放速度、做到地势低洼地带优先排放、实现城市有序排水防涝的蜗壳装置。
[0005]本发明采用的技术方案是:
[0006]实现城市有序排水防涝的蜗壳装置，其特征在于:包括城市的地下管网、以及与所述的地下管网连通的集水井，所述的地下管网连接主管路，所述的集水井的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置；所述的水流螺旋运动发生装置是蜗壳结构，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口和轴向出水口，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口以所述的蜗壳的侧面圆周的切线方向将水导入蜗壳的内腔。
[0007]进一步，安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0008]本发明的工作过程如下:
[0009]1、当降雨强度较小时，进入集水井的水量也相应较少，尚未对排水系统造成压力，无需对排水管路的雨水流量进行调节。此时，集水井内的水头较低，水流平稳通过水流螺旋运动发生装置。
[0010]2、随着降雨强度和降雨时间的增加，集水井内水位逐渐升至一定高度时，由于水流的惯性以及水流螺旋运动发生装置的结构形状的作用，水流在装置内部形成环绕装置结构轴线的螺旋运动，此时水流速度不足以维持稳定的螺旋运动形式，该螺旋运动在经过一段时间后溃灭，之后再形成，周而复始。该运动形式的出现意味着沿出水管轴向的水流速度分量减小，集水井出口管道中的流量相应减小，此时水流螺旋运动发生装置尚未被水充满，其内部仍有一定量的空气，进一步减小了水流的实际过流面积。
[0011]3、当集水井内水位进一步升高，水流螺旋运动发生装置被完全淹没，水流在装置内部及集水井出口管道中形成稳定的螺旋运动，沿出水管道轴向的运动速度进一步减小。与此同时，少量的空气被限制在螺旋运动水流的中心部位，这将对水流产生背压，并减小排水管道中水流的过流面积。在以上因素的共同作用下，排出集水井的流量被有效遏制。
[0012]4、降雨结束后，随着集水井内水位的下降，排水管道中水流的螺旋流动形式逐渐消失，排水系统恢复正常状态。
[0013]当短时间集中降雨时，高地势区域以及该区域内的集水井暂时储水不至于引起当地的内涝。城市内涝往往表现在个别低地势区域重复地内涝，而不是全部区域的内涝。本发明发现，城市内涝的成因包括排水顺序上的无序，由此导致低地势区域排水不畅，而高地势区域的集水井的储水能力没有得到充分利用，城市排水设施的整体效率下降。本发明创造性地实施了城市排水设施在排水顺序上的有效管理，提高了城市排水设施的使用效率。
[0014]本发明的有益效果体现在:
[0015]1、本发明不改变排水管网的现状(布局、设计)，在高地势区域集水井出口管道安装水流螺旋运动发生装置，当集水井中水位达到一定高度时，该装置启动、工作，切向入口结构使水流以螺旋形式流入排水管道，减缓水流流速，限制和降低高地势区域的排水能力，从而提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。不需能源、投资低、见效快。
[0016]2、本发明可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0017]3、由于排水管道截面的实际形状和面积保持不变，减少了管道堵塞风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的简化模型示意图。
[0019]图2a是水流螺旋运动发生装置为蜗壳结构的外观示意图。
[0020]图2b是图2a的内部结构示意图。
[0021]图2c是图2a安装在集水井内的结构示意图。
[0022]图2d是图2c中的A-A截面示意图。
[0023]图2e是图2c中的B-B截面示意图。
[0024]图3a是水流螺旋运动发生装置为圆台结构的轴向示意图。
[0025]图3b是图3a安装在集水井内的结构示意图。
[0026]图3c是图3b中的A-A截面示意图。
[0027]图3d是图3b中的B-B截面示意图。
[0028]图4a是水流螺旋运动发生装置为圆柱结构的轴向示意图。
[0029]图4b是图4a安装在集水井内的结构示意图。
[0030]图4c是图4b中的A-A截面示意图。
[0031 ]图4d是图4b中的B-B截面不意图。
[0032]图5a是水流螺旋运动发生装置为斜圆台结构的轴向示意图。
[0033]图5b是图5a安装在集水井内的结构示意图。
[0034]图5c是图5b中的A-A截面示意图。
[0035]图5d是图5b中的B-B截面示意图。
[0036]图6a是水流螺旋运动发生装置为斜圆柱结构的轴向示意图。
[0037]图6b是图6a安装在集水井内的结构示意图。
[0038]图6c是图6b中的A-A截面示意图。
[0039]图6d是图6b中的B-B截面示意图。
[0040]图7a是水流螺旋运动发生装置诱发的水流螺旋流动示意图。
[0041]图7b是水流螺旋运动发生装置作用下的水头与流量的关系曲线示意图。
【具体实施方式】
[0042]实施例1
[0043]参照图1、图2a至图2e以及图7a和图7b，实现城市有序排水的防涝方法，在城市的地下管网I的集水井2的出水口安装水流螺旋运动发生装置4 ;并且，安装在高地势21的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势22的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0044]实现城市有序排水的防涝方法的专用设备，包括城市的地下管网1、以及与所述的地下管网I连通的集水井2，所述的地下管网I连接主管路3，所述的集水井2的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置4。
[0045]优选的，所述的水流螺旋运动发生装置4是蜗壳结构。
[0046]通常的管道中，水头与流量的二次方成正比。但是在水流螺旋运动发生装置中，如图7b所示，流量与水头呈现特殊的对应关系，在某个区段，水头增加反而导致流量下降。
[0047]本发明的安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数，高地势区域集水井的流量的减少量较大，因此提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。
[0048]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0049]实施例2
[0050]参照图1、图3a至图3d、图7a和图7b，实现城市有序排水的防涝方法，在城市的地下管网I的集水井2的出水口安装水流螺旋运动发生装置4 ;并且，安装在高地势21的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势22的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0051]实现城市有序排水的防涝方法的专用设备，包括城市的地下管网1、以及与所述的地下管网I连通的集水井2，所述的地下管网I连接主管路3，所述的集水井2的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置4。
[0052]优选的，所述的水流螺旋运动发生装置4具有圆台形的外壳，并具有中空的内腔，所述的外壳的小直径端面朝向集水井的出水口，大直径端面背离集水井的出水口且设置在集水井内部，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口 5和轴向出水口 6，所述的轴向出水口设置在小直径端面上，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口设置在靠近大直径端面的侧面上，所述的切向进水口以所述的外壳的侧面圆周的切线方向将水导入内腔。该装置内腔沿轴向渐缩，导致被限制在螺旋运动水流中心部位的空气背压沿轴向快速升高、水流螺旋运动加剧，对水流轴向速度分量的减缓作用逐渐加强，装置出口处的流量被大幅减小。
[0053]通常的管道中，水头与流量的二次方成正比。但是在水流螺旋运动发生装置中，如图7b所示，流量与水头呈现特殊的对应关系，在某个区段，水头增加反而导致流量下降。
[0054]本发明的安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数，高地势区域集水井的流量的减少量较大，因此提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。
[0055]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0056]实施例3
[0057]参照图1、图4a至图4d、图7a和图7b，实现城市有序排水的防涝方法，在城市的地下管网I的集水井2的出水口安装水流螺旋运动发生装置4 ;并且，安装在高地势21的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势22的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0058]实现城市有序排水的防涝方法的专用设备，包括城市的地下管网1、以及与所述的地下管网I连通的集水井2，所述的地下管网I连接主管路3，所述的集水井2的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置4。
[0059]优选的，所述的水流螺旋运动发生装置4具有圆柱形的外壳，并具有中空的内腔，圆柱形的一个底面朝向集水井的出水口，另一个底面背离集水井的出水口且设置在集水井内部，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口 5和轴向出水口 6，所述的轴向出水口设置在圆柱形的底面上，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口设置在背离轴向出口的圆柱形的底面的侧面上，所述的切向进水口以所述的外壳的侧面圆周的切线方向将水导入内腔。该装置内腔沿轴向的长度较长，水流螺旋运动的强度沿轴向变化不明显，流量在装置内缓慢减小。
[0060]通常的管道中，水头与流量的二次方成正比。但是在水流螺旋运动发生装置中，如图7b所示，流量与水头呈现特殊的对应关系，在某个区段，水头增加反而导致流量下降。
[0061]本发明的安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数，高地势区域集水井的流量的减少量较大，因此提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。
[0062]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0063]实施例4
[0064]参照图1、图5a至图5d、图7a和图7b，实现城市有序排水的防涝方法，在城市的地下管网I的集水井2的出水口安装水流螺旋运动发生装置4 ;并且，安装在高地势21的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势22的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0065]实现城市有序排水的防涝方法的专用设备，包括城市的地下管网1、以及与所述的地下管网I连通的集水井2，所述的地下管网I连接主管路3，所述的集水井2的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置4。
[0066]优选的，所述的水流螺旋运动发生装置4具有斜圆台形的外壳，并具有中空的内腔，所述的外壳的小直径端面朝向集水井的出水口，大直径端面背离集水井的出水口且设置在集水井内部，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口 5和轴向出水口 6，所述的轴向出水口设置在小直径端面上，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口设置在母线与竖直方向之间的夹角较小的且靠近大直径端面处的侧面上，所述的切向进水口以所述的外壳的侧面圆周的切线方向将水导入内腔。该装置内腔沿水平方向渐缩，导致被限制在螺旋运动水流中心部位的空气背压沿水平方向快速升高，水流螺旋运动加剧，对水流轴向速度分量的减缓作用逐渐加强，装置出口处的流量被大幅减小。在装置非轴对称外形的作用下，水流螺旋运动在各横截面上的投影不再环绕同一对称轴。
[0067]通常的管道中，水头与流量的二次方成正比。但是在水流螺旋运动发生装置中，如图7b所示，流量与水头呈现特殊的对应关系，在某个区段，水头增加反而导致流量下降。
[0068]本发明的安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数，高地势区域集水井的流量的减少量较大，因此提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。
[0069]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0070]实施例5
[0071]参照图1、图6a至图6d、图7a和图7b，实现城市有序排水的防涝方法，在城市的地下管网I的集水井2的出水口安装水流螺旋运动发生装置4 ;并且，安装在高地势21的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势22的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
[0072]实现城市有序排水的防涝方法的专用设备，包括城市的地下管网1、以及与所述的地下管网I连通的集水井2，所述的地下管网I连接主管路3，所述的集水井2的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置4。
[0073]优选的，所述的水流螺旋运动发生装置4具有斜圆柱形的外壳，并具有中空的内腔，斜圆柱形的一个底面朝向集水井的出水口，另一个底面背离集水井的出水口且设置在集水井内部，且所述的外壳倾斜向上设置，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口 5和轴向出水口 6，所述的轴向出水口设置在斜圆柱形的底面上，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口设置在背离轴向出水口的斜圆柱形的底面的侧面上，所述的切向进水口以所述的外壳的侧面圆周的切线方向将水导入内腔。该装置内腔沿水平方向的长度较长，水流螺旋运动的强度在水平方向变化不明显，流量在装置内缓慢减小。在装置非轴对称外形的作用下，水流螺旋运动在各横截面上的投影不再环绕同一对称轴。
[0074]通常的管道中，水头与流量的二次方成正比。但是在水流螺旋运动发生装置中，如图7b所示，流量与水头呈现特殊的对应关系，在某个区段，水头增加反而导致流量下降。
[0075]本发明的安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数，高地势区域集水井的流量的减少量较大，因此提高地势低洼区域的排水能力，自动协调不同地势排水管道的流量，实现系统的有序排水，消除或缓解低洼地带由短时强降雨引起的内涝灾害。
[0076]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0077]实施例6
[0078]实现城市有序排水的防涝方法，仅在城市的高地势区域的集水井的出水口安装水流螺旋运动发生装置。
[0079]其与实施方式与实施例1、实施例2、实施例3、实施例4或实施例5相同。
[0080]本实施例可以作为一种简易的实现方式进行应用。
[0081]以上对于水流螺旋运动发生装置的涡流发生系数的安排是一个总体原则，对于局部地区，可根据城市区域地下排水管网系统的分布情况、地形地貌以及该地区的排涝的紧迫程度，设计每一个水流螺旋运动发生装置的结构和性能参数，真正实现该区域地下排水管网系统的有序排水，达到防止城市低洼地带内涝的目标。
[0082]本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
【权利要求】
1.实现城市有序排水防涝的蜗壳装置，其特征在于:包括城市的地下管网、以及与所述的地下管网连通的集水井，所述的地下管网连接主管路，所述的集水井的出水口上安装有水流螺旋运动发生装置；所述的水流螺旋运动发生装置是蜗壳结构，所述的水流螺旋运动发生装置具有切向进水口和轴向出水口，所述的轴向出水口与所述的集水井的出水口处的排水管连通，所述的切向进水口以所述的蜗壳的侧面圆周的切线方向将水导入蜗壳的内腔。
2.如权利要求1所述的实现城市有序排水防涝的蜗壳装置，其特征在于:安装在高地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置具有比安装在低地势的集水井的出水口的水流螺旋运动发生装置更高的涡流发生系数。
【文档编号】E03F3/04GK104358304SQ201410539279
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】吴燕明, 程文韬, 任晟, 李桃, 李超, 陈小明, 郑寓 申请人:水利部产品质量标准研究所