![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Гидравлические условия работы водоотводящей сети
Гидравлический расчет самотечных сетей заключается в определении диаметров труб, уклонов, скоростей течения и степени наполнения в зависимости от максимальных секундных расходов сточных вод. Транспортирование сточной жидкостью взвешенных веществ (транспортирующая способность потока) и связанные с этим эксплуатационные показатели сетей определяются режимом течения сточных вод и гидравлическими характеристиками самотечных коллекторов. 6.1. Характеры и режимы течения сточных вод Установившееся движение — скорость и давление в любой точке потока жидкости не изменяются с течением времени. Примером установившегося движения является истечение жидкости через трубопровод из бака с постоянным уровнем. Неустановившееся движение — скорость и давление в любой точке потока жидкости изменяются с течением времени. Примером неустановившегося движения является истечение жидкости через трубопровод из бака с переменным уровнем. Равномерным установившееся движение — скорость и давление в любой точке потока жидкости равны и не изменяются с течением времени. Примером равномерного установившегося движения является истечение жидкости через трубопровод из бака с постоянным уровнем (рис. 6.1, а). При этом живые сечения потока по всей длине рассматриваемого участка трубопровода не изменяются, а эпюры скоростей во всех живых сечениях одинаковы. Равномерное неустановившееся движение — скорость и давление в любой точке потока равны, но изменяются с течением времени. Примером равномерного неустановившегося движения является истечение жидкости через трубопровод из бака с переменным уровнем (рис. 6.1, 6). Неравномерное установившееся движение-скорость и давление в различных точках потока различны, но не меняются с течением времени. Примером неравномерного установившегося движения является истечение жикости через трубопровод переменного сечения (например, конический) из бака с постоянным уровнем (рис. 6.1, в). Неравномерное неустановившееся движение— скорость и давление в различных точках потока различны и меняется с течением времени. Примером неравномерного установившегося движения является истечение жидкости через трубопровод переменного сечения из бака с переменным уровнем (рис. 6.1, г) Рис. 6.1. Примеры напорного движения жидкости: а — равномерное установившееся, б — равномерное неустановившееся; в — неравномерное установившееся, г — неравномерное неустановившееся, т — время; z — координата длины
Напорным называют движение жидкости без свободной поверхности. Примером напорного движения является движение воды в сплошь заполненной трубе или насадке под избыточным давлением. Безнапорным или самотечным называют движение жидкости со свободной поверхностью. Примером безнапор ного движения является движение воды в трубах, работающих неполным сеченнем, а также в каналах и открытых потоках. Характер течения в водоотводящих сетях определяется наличием целого ряда специфических особенностей: неравномерностью поступления сточных вод по часам суток, увеличением расхода основного потока за счет боковых присоединений, нали чием местных сопротивлений, переменной формой и шероховатостью русла потока. Все это позволяет считать, что движение жидкости в водоотводящей сети не только неравномерное, но и неустановившееся. Такой характер течения, отличающийся наличием кривых подпора и спада свободной поверхности потока, более резко проявляется в трубах малого диаметра (рис. 6.2). В настоящее время гидравлический расчет водоотводящих сетей всех систем проводят по формулам равномерного турбулентного движения.
• Два режима течения жидкости. Критерий Рейнольдса. Установлено, что при определении потерь напора надо различать два режима движения потока жидкости: ламинарный (слоистый), при котором жидкость движется слоями, практически не перемешиваясь, и турбулентный (вихревой), при котором частицы жидкости перемешиваются. В 1883 г. англичанином О. Рей-нольдсом было установлено, что критерий режима течения жидкости (критерий или безразмерное число Рейнольдса Re) определяется из следующего соотношения:
При напорном движении жидкости в круглых трубах за характерный размер обычно принимается внутренний диаметр трубы d, а в остальных случаях — гидравлический радиус R или гидравлический диаметр потока dr=4R. Зависимость потерь напора на трение от числа Re характеризуется наличием трех режимов: ламинарного режима (участок 1-2, рис. 6.3) турбулентного режима (участок 4-5) режима перемежающейся, турбулентности (участок 2-4) Если скорости в напорном трубопроводе возрастают, то ламинарный режим может удерживаться до точки 3, что соответствует нижнему критическому числу ReKpi«х 1000. При снижении скоростей потока турбулентный режим может удерживаться вплоть до точки 2, что соответствует верхнему критическому числу ReKP2, которое изменяется в довольно широких пределах. В ряде литературных источников отмечается, что границе ламинарного и турбулентного режимов соответствует Re„P=2320. Это упрощает инженерные расчеты, но не вполне соответствует фактической природе процесса. Числа ReKp зависят от шероховатости стенок и формы поперечного сечения потока. Более справедливо соотношение
• Линейные потери напора (гидравлический уклон /) или потери напора на трение (см. рис. 6.3) зависят от режима движения жидкости, что выражается уравнением h тр = bvm, где b — коэффициент, учитывающий влияние размеров трубы, свойств ее стенок и рода жидкости; т — показатель степени, учитывающий влияние скорости движения на потери напора; т = tgα 1 (ламинарный режим, α 1 = 45°); т = tgα 2 (турбулентный режим, α 2=60°). При ламинарном режиме потери напора по длине пропорциональны скорости в первой степени (т = 1), при турбулентном режиме линейные потери напора пропорциональны квадрату скорости (т = 2), в результате перемежающейся турбулентности 1 < m < 2. Для определения удельных потерь на трение или гидравлического уклона / при равномерном движении используют следующие формулы:
Идентичность формул (6.2) и (6.3) нетрудно показать, если воспользоваться следующими соотношениями между С и λ В турбулентном режиме движения наблюдаются три зоны: гидравлически гладкая, гидравлически шероховатая и переходная (рис. 6.4). Одним из главных параметров является эквивалентная шероховатость стенок русла Аэ — высота выступов равномерно-зернистой шероховатости, эквивалентной по потерям на пора данной шероховатости в квадратичной зоне. Наиболее полные исследования по определению коэффициента к впервые были выполнены Никурадзе, который по результатам экспериментальных исследований построил график зависимости lg Re от; lg 100k для труб с различной степенью шероховатости стенок. На графике рис. 6.4 ламинарный режим ограничен справа прямой, в пределах которой к = 64/Re при Re < 2320 (lgRe<
3, 36). Участок графика 2 при lg Re в границах 3, 36...3, 60 характеризует быстрый переход от ламинарного режима к турбулентному. Далее начинается прямая 3, характеризующая зависимость к от числа Рейиольдса для гидравлически гладких труб. Вправо от прямой 3 кривые зависимости к от Re расходятся. При этом чем больше шероховатость стенок труб, тем выше они располагаются. Для очень больших чисел Рейнольдса (Re> 100000) имеет место автомодельная область, в которой величина к перестает зависеть от числа Re. В этой области λ определяется только относительной шероховатостью стенок трубопровода ∆ }/d в соответствии с формулой λ = 0, 1 (2∆, /d)0, 25.
• Гидравлически гладкая зона наблюдается в том случае, когда эквивалентная высота выступов шероховатости стенок русла значительно меньше толщины пристеночного (ламинарного) слоя жидкости. Коэффициент сопротивления по длине (коэффициент Дарси) в данной зоне определяют по формуле Эта формула, предложенная П. К. Конаковым в 1946 г., дает хорошее совпадение с результатами 125 опытов Никурадзе с гладкими трубами. Анализ формулы (6.4) показывает, что в данной зоне шероховатость стенок русла не оказывает влияния на характер движения жидкости. Для данного случая коэффициент λ может быть также определен по формуле Блазиуса-Шевелева:
Гидравлически шероховатая зона наблюдается в том случае, когда эквивалентная высота выступов шероховатости стенок русла заметно превышает толщину пристеночного слоя жидкости. Коэффициент сопротивления по длине в данной зоне определяют по формуле Эта формула, предложенная А. В. Тепловым, имеет хорошую сходимость с результатами опытов Никурадзе, который исследовал трубы с равномерно-зернистой шероховатостью. Анализ формулы (6, 6) показывает, что в гидравлически шероховатой зоне вязкость жидкости не оказывает влияния на характер движения. Эту зону обычно называют квадратичной, поскольку в ней в полном соответствии с формулой Дарси — Вейсбаха потери напора по длине прямо пропорциональны квадрату скорости. Переходная зона наблюдается в том случае, когда эквивалентная высота выступов шероховатости стенок русла близка к толщине пристеночного слоя жидкости. Коэффициент сопротивления по длине в данной зоне с достаточной точностью определяют по формуле А. Д. Альтшуля: Анализ формулы (6.7) показывает, что в переходной зоне на характер движения влияют шероховатость стенок русла и вязкость жидкости. Для расчета напорной водоотводящей сети во всех трех зонах турбулентного режима применима формула Н. Ф. Федорова где a2 — безразмерный коэффицент, учитывающий характер шероховатости материала труб. Формула Н.Ф. Федорова для расчета самотечной водоотводящей сети приводится ниже. • Местные сопротивления вызывают подпоры в водоотвода^ щей сети, что снижает скорость потока и вызывает быстрое, заиление трубопроводов. Наиболее резкое снижение скорости при безнапорном движении происходит на участках перед поворот-, ными и узловыми колодцами. Поэтому при гидравлическом рас-' чете самотечных коллекторов диаметром более 500 мм на пово-j ротах, при слиянии потоков в тех случаях, когда диаметр npncoef динения не менее 350 мм и имеются перепады на основном кол-' лекторе, рекомендуется учитывать местные сопротивления: где V1, V2 — скорости потока до и после местного сопротивления-соответственно; g — коэффициент местного сопротивления. Практически местные потери напора в поворотных колодцах составляют 1, 5..3 см, а в узловых колодцах или камерах 2...6 см в зависимости от расходов, скорости течения и углов сопряжения потоков. Поэтому в поворотных колодцах целесообразно увеличивать уклон лотка в среднем на 2 см, а в узловых камерах понижать лоток основного коллектора в среднем на 3 см. Исследования местных сопротивлений на самотечных водоотводящих сетях проводились С.К. Колобановым, Н.Ф. Федоровым, И.В. Сахаровым и освещены в специальной литературе. 6.2. Гидравлические характеристики самотечных коллекторов • Формы поперечных сечений. Свыше 90 % протяженности всех водоотводящих сетей выполняют из труб круглого сечения. Круглые трубы наиболее экономичны по затратам материала, технологичны при изготовлении, удобны при строительстве н эксплуатации, обладают лучшими гидравлическими характеристиками. Различные формы поперечных сечений труб и каналов представлены на рис. 6.5. Трубы и каналы различных форм поперечных сечений можно подразделить на сжатые (рис. 6.5, б, в) и вытянутые (рис. 6.5, д, е, ж, з). Трубы и каналы вытянутых сечений целесообразно применять при больших колебаниях расходов и наполнений, а также при повышенных заглублениях. Эти трубы и каналы удобно прокладывать в стесненных условиях, когда требуется разработка более узких траншей. Каналы сжатых сечений удобно применять при небольших колебаниях расходов сточных вод и наполнений, а также при малых заглублениях трассы. Банкетное сечение каналов целесообразно для отвода стоков с большими колебаниями расходов, например в системе общесплавной канализации. Каналы открытых сечений, прямоугольных или трапецеидальных, обычно применяют для отвода дождевых вод при неполной раздельной системе или на территории очистных сооружений. • Гидравлический радиус — важная характеристика трубопровода или канала, определяемая из соотношения R=ω /Χ где ω — площадь живого сечения; Χ — смоченный периметр. Рис. 6.5. Формы поперечных сечений самотечных труб н каналов: а — круглое, б - полукруглое, в — шатровое, г — банкетное, д — яйцевидное (овондальное), е — эллиптическое, ж — полукруглое с прямыми вставками; э — яйцевидное перевернутое, и — лотковое, к — пятиугольное, л — прямоугольное, м — трапецеидальное
В соответствии с формулой Шези где С — коэффициент Шези; J — уклон дна трубопровода или канала; при постоянных значениях СиJ чем выше значения R, тем выше скорость потока V. Для круглого сечения справедливы следующие соотношения: при половинном наполнении (h/d = 0, 5) при полном наполнении {h/d= 1) Таким образом, гидравлические радиусы круглого сечения при половинном и полном наполнениях равны. Скорость потока достигает максимальных значений при h/d = 0, 813, когда R=0, 307d. Интересно, что максимальный расход при круглом сечении соответствует наполнению h/d = 0, 95. Гидравлически наивыгоднейшим называют сечение канала, имеющее наименьший смоченный периметр при заданной площади живого сечения. Это также означает, что при заданных значениях площади живого сечения, шероховатости и уклона дна через данный канал пройдет наибольший расход. Из всех сечений с одинаковой площадью наименьший периметр имеют круг и полукруг. Прямоугольное сечение канала является гидравлически наивыгоднейшим при b/h=2, где b - нижняя ширина канала, h - глубина потока. Трапецеидальное сечение канала является гидравлически наивыгоднейшим при соотношении где m = ctga—коэффициент заложения откоса, или котангенс острого угла между линией откоса и горизонтальной линией. Соотношения b/h для различных значений т приведены ниже: т............ 0, 1 0, 25 0, 5 0, 75 1 1, 5 2 2, 5 3 4 b/h.......... 1, 8 1, 56 1, 24 1 0, 83 0, 61 0, 47 0, 38 0, 32 0, 25 Параметры четырех гидравлически наивыгоднейших сечений представлены в табл. 6.1.
Степенью наполнения труб и каналов h/d называют максимально допустимое отношение рабочей глубины потока сточных вод А к диаметру поперечного сечения d. Степень наполнения самотечных труб нормируется с целью вентиляции сети и компенсации неучтенных колебаний уровня жидкости. Наполнение, соответствующее пропуску расчетного расхода, является расчетным. Из экономических и гидравлических соображений ие рекомендуется принимать для любых диаметров труб (кроме начальных участков сети) h/d < 0, 5. В соответствии с требованиями СНиП 2.04.03—85 максимальную степень наполнения назначают в зависимости от диаметра: d, мм............... 150...250 300...400 450...900 1000 и более h/d.................. 0, 6 0, 7 0, 75 0, 8 Возрастание максимального наполнения с увеличением диаметра труб объясняется уменьшением амплитуды колебании в притоке сточных вод. В общесплавной и дождевой системах водоотведения расчетное наполнение принимают обычно полным (h/d «1), так как дожди расчетной интенсивности выпадают крайне редко. • Скорости и уклоны. Расчет водоотводящих сетей всех систем должен производиться с учетом допустимых номинальных
Рис. 6.6. Характер распределения скоростей течения сточной воды в поперечном (а) и продольном {б) сечениях круглого частично заиленного коллектора диаметром 1400 мм
(неэаиливающих) и максимальных (неразрушаюших) скоростей протока сточных вод. В реальном поперечном сечении коллектора скорость течения в отдельных точках (местные скорости) значительно отличается от средней (рис. 6.6), в середине (ядре) и ближе к свободной поверхности они значительно выше, чем у стенок к дна. Среднюю скорость течения в потоке определяют по формуле Донной скоростью называют наименьшую местную скорость потока в придонном слое. Значение этой скорости в значительной степени определяет динамику горизонтального перемещения от< ложений в лотках труб. Поверхностной скоростью называют наибольшую местную скорость потока в его поверхностном слое, близком к горизонт тальной оси трубы. Максимальной скоростью называют наибольшую усредненнук>; по сечению коллектора скорость, допустимую по соображениям, ' сохранения механической прочности труб от истирания. Максим мальные скорости назначают в зависимости от материала труб" и типа системы водоотведения. Их следует принимать, м/с: для металлических труб — 8, для неметаллических — 4, для дождевой сети — соответственно 10 и 7. Минимальной скоростью (самоочищающей, незаиливающей или критической) называют наименьшую усредненную по сече» нию коллектора скорость, при которой в результате совместного действия поперечных пульсаций и продольного движения жидкости обеспечивается устойчивый транспорт легких и смыв осевших примесей. Аналитическое определение минимальных самоочи1-щающих скоростей является сложной задачей. Для ее практического решения предложен ряд полуэмпирических формул: где m— (3, 5...0, 5)R; R — гидравлический радиус, м; u0—гидравлическая крупность песка (скорость осаждения частиц песка размером 1 мм равна 0, 1 м/с); n1 — коэффициент шероховатости стенок трубы; у — эмпирическая константа. При небольших диаметрах труб эти формулы дают близкие результаты. Рекомендации СНиПа по выбору минимальных самоочищай-щих скоростей даны в табл. 6.2. Минимальную скорость движения осветленных, биологически очищенных или условно чистых производственных сточных вод в трубах и каналах принимают равной 0, 4 м/с. Расчетной скоростью называют усредненную по сеченНю коллектора скорость при максимальном (расчетном) расходе сточных вод и расчетном наполнении. Расчетную скорость следует назначать в пределах между максимальными и минимальными скоростями течения. Расчетную скорость движения неосветлен-ных сточных вод в дюкерах необходимо принимать не менее 1 м/с. Минимальные Jmin и максимальные Jmax уклоны наиболее точно определяются с помощью формулы Дарси для самотечных трубопроводов после подстановки в нее значений минимальной (самоочищающей) скорости Vmin н максимальной (неразрушаю-щей) скорости Vmax: где R — гидравлический радиус трубы при расчетном наполнении. Коэффициент сопротивления λ для безнапорного течения находят по формуле Н.Ф. Федорова, учитывающей различную степень турбулентности потока в гладкой, шероховатой и переходной областях движения:
Значения гидравлического радиуса R для круглых самотечных труб приведены ниже: R.. 0, 25 0, 27 0, 28 0, 29 0, 295 0, 3 0, 3 0, 307 0, 3 0, 3 0, 29 0, 25 Значения R, найденные по формуле (6.13), для vmm = 0, 7 м/с равны 0, 031, для ymax = 4 м/с Я «0, 28. С учетом этого по формуле Дарен могут быть определены минимальные и максимальные уклоны. Так, для трубы диаметром 400 мм при наполнении h/d = 0, 5 минимальный уклон (самоочищающая скорость vmin = = 0, 8 м/с, R = 0, 25d = 0, 25-0, 4 = 0, 1 м) равен К аналогичным результатам приводит и использование распространенного соотношения для определения минимального Найденный по данной методике максимальный уклон для трубы диаметром 500 мм при наполнении h/d = 0, 75 (vmax = 4 м/с, R = 0, 3d = 0, 3·0, 5 = 0, 15 м) равен Из опыта эксплуатации известно, что при диаметрах самотечных труб свыше 300 мм число засорений сравнительно мало, а при диаметрах свыше 500 мм при различных уклонах засоры — большая редкость. По нашему мнению, минимальные скорости и уклоны для диаметров 200, 250, 300 мм надо принимать на 15, 10, 5 % соответственно выше рекомендованных СНиПом, что позволит сократить число их засорений. Вместе с тем некоторое увеличение скоростей и уклонов на начальных участках сети при правильной трассировке обычно не приводит к снижению эффективности проектного решения. 6.3. Формулы и таблицы для гидравлического расчета Расчет водоотводящих сетей производят из условия равномерного движения жидкости в трубах по двум основным формулам: где q — расход жидкости, м3/с; С — коэффициент сопротивления' трения по длине. Наиболее распространенные таблицы для гидравлического расчета водоотводящих сетей составлены А. А. Лукиных и Н. А. Лукиных по формуле акад. Н. Н. Павловского:
Объединяя формулы (6.16)...(6.18), получим зависимости, положенные в основу таблиц: где Kv — скоростная характеристика трубопровода, м/с; Кq — то же, расходная, м3/с В гидравлических расчетах довольно часто используют более простую формулу Маннинга, являющуюся частным случаем фор-мулы Н. Н. Павловского: С использованием формулы Маннинга зависимости (6.19) и (6.20) упрощаются: Можно показать, что с изменением уклона самотечной трубы и при сохранении остальных гидравлических параметров ее работы (диаметр, наполнение, гидравлический радиус) имеют место следующие расчетные соотношения для определения изменившихся расходов и скоростей: Qilq\ = -уДгЛДг. 42 = qvJh/J\; (6.24) ог/oi = лДг/УЯ; V2 = у1Л//2//,. (6.25) Аналогичным образом при сохранении постоянного уклона самотечной трубы, но при изменении характеристик ее сечения (диаметр, наполнение, гидравлический радиус) указанные соотношения примут другой вид: где Kq1, Kq2 и Кv1, Kv2 — соответственно расходные и Скоростные характеристики сравниваемых сечений. Иногда при гидравлических расчетах трубопроводов пользуются таблицами Н.Ф. Федорова, в которых учитывается изменение вязкости сточных вод в зависимости от содержания в них взвеси. Кроме таблиц иногда используют графики или номограммы, которые, как правило, сложны и дают приближенные результаты.
|