断流弥合水锤之二----水箱出水管断流弥合水锤形成机理
摘要：
上篇文章分析消防屋顶水箱出水管常被忽视的断流弥合水锤现象，指出立管顶部设置了自动排气阀加剧了断流弥合水锤的振幅，并使断流弥合水锤难以衰减，持续时间长。
笔者从看到水锤现象视频到写完文章不足3小时,还包含了制图时间，没有详细分析形成机理，造成不少同行产生疑问，自动排气阀通大气，不是相当于常见的注水注气防水锤手段，怎么变成了加剧水锤呢？颠覆了大部分技术人员的认识，一些同行私下提出疑问，本文将自动排气阀如何加剧水锤的作用机理详细分析：弥合阶段出现自动排气阀浮球撞击顶部，关闭自动排气阀产生了次生水锤的双水锤叠加现象，是水锤不能衰减甚至加剧的原因。
一、断流弥合水锤过程分解
当管道流量调节过快，如阀门快开或突然停泵等造成局部压力骤降并开始出现断流空腔，这是断流阶段，此时此断流空间若没有得到补水或补气（补压）,断流空腔会持续增大，溶解在水中的空气膨胀，甚至微量的水汽化，逐渐加大断流空腔近似真空状态，断流峰值空腔体积最大，同时形成最大的负压，见下图（箭头长短代表强弱，余同）：
断流空腔使水流的连续性遭到破坏，造成水柱分离现象，分离的力量及程度，与消防屋顶水箱出水管和出水口高差、瞬时出流量近似成正比关系，即就是高差越大，或者流量越大，断流空腔越大。
断流达到最高峰后，由于负压产生了反方向的吸力，水箱以及管网的水迅速向空腔补充，甚至下部管网的水锤波回传叠加（一般存在长距离输水管道的停泵水锤，水箱出水管几乎不存在水锤波回传），进入弥合阶段。弥合阶段的水流，双方向流向断流空腔，当空管段消失（空腔溃灭）即两股水柱重新弥合时，空腔内的水蒸气迅速凝结，微量的气体部分重新溶解于水中，部分来不及溶解，于是两股水柱互相猛烈碰撞，产生升压很高的“断流空腔再弥合水锤”，见下图：
断流空腔再弥合水锤发生后，重新进入第二次断流阶段，并继续循环振荡，水体质点做周期性的疏密变化，时而受拉，时而受压，但每一次循环周期，水锤幅度减弱很多,一次水锤产生到消失，短则几秒，长则几分钟。
二、消防屋顶水箱出水横管接立管处，设置了自动排气阀的水锤过程分解
消防屋顶水箱出水横管常见安装方式如下图，在最容易产生断流弥合水锤的立管顶部，设置了自动排气阀（见上篇文章）。
1.断流阶段，同上，断流空腔会持续增大，溶解在水中的空气膨胀，甚至微量的水汽化，逐渐加大断流空腔近似真空状态，但是空腔上部的自动排气阀门及短立管，管径小，仍充满水，排气阀仍处在关闭状态，直至断流峰期，采用一些近似真空气泡越过截止阀的过水孔上升，见下图：
2.弥合阶段
同上，断流达到最高峰后，由于负压产生了反方向的吸力，水箱以及管网的水迅速向空腔补充，进入弥合阶段。但不同的是，进入短立管及自动排气阀的气泡上升到阀体顶部，浮球下跌，自动排气阀打开。
自动排气阀打开的时间，是断流空腔消失到产生“断流空腔再弥合水锤”之间的过程，从初始微量进气到产生水锤汽水混合喷溅的过程，喷溅到后期，由于气泡随水流喷出造成自动排气阀浮球撞击顶部，关闭自动排气阀产生了次生水锤，次生水锤位置与断流空腔再弥合水锤位置就200~300mm的距离，水锤波的时间可忽略，从而造成次生水锤与“断流空腔再弥合水锤”两水锤叠加，造成更强大的反方向冲击力，见下图。
3.第二次断流和弥合阶段
由于断流弥合水锤的碰撞是水体中已经存在微小气泡，第二次断流的空腔更迅速地加大，再弥合水锤，产生了更大的反作用力，是第二次断流更大的动力源，因而第二次断流空腔的体积相较第一次会有较大的提升，进而进入弥合阶段，弥合阶段又出现自动排气阀浮球撞击顶部，关闭自动排气阀产生了次生水锤的双水锤叠加现象（见上图的弥合峰期第三水锤）。
若每一个周期，次生水锤出现时间刚好是断流空腔再弥合水锤产生时间，两种水锤叠加产生的水锤振幅是越来越大的，但实际上，自动排气阀浮球撞击顶部的时间，取决于阀体顶部液体上升到适合的标高，也就是气泡容积缩小到一定程度的时间，这个时间不是恒定的，是随机的，但也存在着正态分布的规律，因此，浮球上浮冲顶产生次生水锤的时间，可能与断流空腔再弥合水锤重合叠加，也可能是错开的，叠加的频率越大，断流弥合水锤的衰减时间越长，这就是上文所述的“自动排气阀加剧了断流弥合水锤的振幅”的作用机理。
三、采用活塞式水锤消除器、补水、补气水锤消除措施的断流弥合水锤的作用机理
长距离输水输油管网，常采用补水、补气水锤消除措施来减少断流弥合水锤的危害。一般在容易产生断流弥合水锤位置设置高位水箱补水，或安装“空气阀”补气。“空气阀”有单纯在断流阶段进气的，也有可在断流阶段进气且在弥合阶段出水的，降低水锤的振幅。
1.补水水锤消除措施
容易产生断流弥合水锤位置设置高位水箱，断流阶段补水，减少负压值，弥合阶段，增加一个方向的补水，降低另外两股水柱的流速，降低弥合碰撞的程度，从而减轻断流弥合水锤的峰值和持续性。
2.“空气阀”的原理
与“补水”类似，补气同样用于消除水锤，通过补气用于消除水锤的设备是“空气阀”，空气阀种类繁多，但大多是单进气式，下图是可进可排的空气阀。空气阀的选择应用，前人的研究和实践积累了大量的成果，但也存在大量的争议，争议大，说明行业认识水平尚浅，作用原理也不成熟，本文不再班门弄斧。
下图中，4为浮球，控制阀口3的开闭，弹簧12及堵盘11控制阀口9的开闭。
3.“空气阀”的与自动排气阀近似，为何可以消除水锤，而后者相反呢？
根本原因是空气阀直接安装在干管上，不存在短立管，更没有严重阻碍气泡上浮的截止阀，断流阶段，负压使堵盘11顶住弹簧下降通气，浮球下跌，而且几乎不存在时间差，进气弥补负压，且进气浮在阀体顶部，浮球下跌，弥合阶段出水出气降低正压值，大大减弱了乃至消除断流弥合水锤。
4.活塞式水锤消除器的作用机理
见上图，断流阶段，气舱膨胀活塞向左侧移动，降低负压值，弥合阶段，活塞向右侧移动，气舱压缩，降低正压值。
四、水箱出水管防断流弥合水锤何种措施最合适
上文已有论述，但漏了一点：加大出水管管径（图示中将出水管改为DN150）。比较推荐使用活塞式水锤消除器，但与安装在地下室泵房活塞式水锤消除器不同，此处的压力小，活塞式水锤消除器应减少空气容积，使活塞左右移动存在较大的行程。
补水妨碍室内消防系统的自动控制，补气措施会使管网进气影响用水，因此都不适合。
后记：本文仅限于理论分析，最终需要实验证实，笔者仅仅是一个每天需要工作十几小时的技术农民工，没有时间和资本进行实验研究，有条件的同行，可进行测试检验，笔者可以提供实验设计。
注：本文于2021年12月15日在笔者个人公众号“刘植蓬设计原创研究”首发，自2021年开始，陆续将笔者率先在建筑给排水（包括消防）领域的断流弥合水锤研究成果公开，于2022年6月15日也举行了建筑给排水（包括消防）领域的断流弥合水锤全国公开课，近期增加了离心泵启动产生的断流弥合水锤研究成果，为了同步在消防百事通发表，有必要将过去的文章先向读者介绍，在对断流弥合水锤知识有所了解后，方能更好地理解离心泵启动断流弥合水锤。
