Основи гідравлічного розрахунку зовнішньої каналізаційної мережі

Подробиці Опубліковано: 29 марта 2016 Переглядів: 3966

Гідравлічний розрахунок мережі каналізації складніше, ніж водопровідної. Чим же це обумовлено?

Стічні води - це рідина зі складною структурою. Вона являє собою полідисперсну субстанцію, в якій значну частину займають суспензії і колоїди. До того ж концентрація і склад забруднень в стічних водах величина змінна, причому на одному і тому ж ділянці каналізаційної мережі.

Основний режим течії стічної рідини по каналізаційній мережі - нерівномірний і несталий. Вона рухається в основному самопливом. Під напором рідина переміщається на обмежених ділянках.

Нерівномірним називається рух з різною середньою швидкістю потоку v в різних живих перетинах потоку ω.

Режим течії стоків в мережі каналізації рідини нерівномірний внаслідок:

• Наявності місцевих опору на неоднорідностях траси: поворотах і вигинах; зміни діаметра трубопроводу; в місцях приток; в лотках оглядових колодязів; перепадах висоти на колекторах; зміни в ухилах труб; дефектах, що виникли при будівництві (невидержіваніе проектних рішень по поворотам, перетинах і ухилах, просадка труб з часом). В результаті на лінії з'являються підпори, знижується швидкість потоку. На таких ділянках відбувається випадання опадів. Місцеві опору повинні враховуватися в розрахунках, виявлені будівельні дефекти - усуватися.
• Несталого характеру руху стоків. Він обумовлений нерівномірністю надходження в мережу каналізаційних стоків по часу. Особливо великими перепадами в витраті відрізняються каналізації дощова і общесплавная. Скачки в обсязі стічних вод менш помітні для каналізаційних мереж технологічної та побутової. До несталий режим більш чутливі труби меншого діаметру.
• Турбулентністю течії стічної рідини по трубах і колекторам. З урахуванням цього, при виборі ступеня шорсткості внутрішніх стінок трубопроводів потрібно виходити від розрахункової швидкості потоку.

Таким чином, неоднорідність структури стічних вод і нерівномірність їх надходження істотно ускладнюють гідравлічний розрахунок каналізаційної мережі по відомим формулам для нерівномірного руху рідини. Тому використовується обчислювальна методика для руху рівномірного. У ній застосовуються формули турбулентного режиму рідини в гладкою, шорсткою і перехідною областях. При цьому враховується залежність ступеня турбулентності потоку від швидкості його руху. Також передбачається надходження всього розрахункового витрати стічних вод в початок розраховується ділянки. Ігнорування розподіленого по довжині надходження стоків, що має місце в реальності, робиться для спрощення розрахунку.

При гідравлічному розрахунку каналізаційної мережі обчислюються наступні параметри: діаметри труб, площі поперечних перерізів каналів, втрати напору, середні швидкості течії стоків в каналах і трубах і ступеня їх наповнення.

Вся наведена тут інформація відноситься до розрахунку соматичних трубопроводів. Напірні, для яких використовуються фекальні насоси , Розраховуються трохи інакше.

Розрахунок проводиться на основі таких вихідних даних: розрахункових витрат стічних вод, ухилів каналізаційних каналів і труб, допустимих граничних (максимальних і мінімальних) швидкостей течії рідини в трубах і каналах. Ухили залежать від локального рельєфу і обмежені також нормативними величинами.

Гідравлічний розрахунок каналізаційної мережі ґрунтується на двох формулах, що описують рівномірний турбулентний режим течії рідкого середовища:

сталості витрати

q = ωv

швидкості (формула Шезі)

v = c√R̅J̅

тут:

• q - розрахункова витрата в м³ / сек;
• ω - живий перетин потоку в м²;
• v - швидкість потоку в м / сек (середня);
• R - радіус гідравлічний;
• c - коефіцієнт Шезі (опору руху рідини);
• J - гідравлічний ухил потоку.

Гідравлічний радіус є віднесену до змоченій периметру площа живого перетину і виражається в м. Гідравлічний ухил потоку, званий також гідродинамічним напором на одиницю довжини, - це ухил i, який має мати дно русла при самопливному русі рідини.

Замість формули Шезі, як показав практичний досвід, в ряді випадків може бути застосована емпірична формула Дарсі:

де

• λ - коефіцієнт Дарсі (опору тертю по довжині);
• g - прискорення сили тяжіння в м / сек²;
• d - діаметр труб в м.

Коефіцієнт Шезі має розмірність м1 / 2 / с, коефіцієнт Дарсі - величина безрозмірна. На підставі формули Дарсі складені графіки і таблиці, з яких необхідні параметри можуть бути знайдені без обчислень.

Основне завдання полягає в знаходженні одного з цих коефіцієнтів. Як відомо з гідравліки, вони визначаються двома величинами - числом Рейнольдса Re і відносної шорсткістю Δе / R (Δе - еквівалентна абсолютна шорсткість).

Феноменологически турбулентний плин рідини всередині труби можна описати як рух ядра з турбулентністю, оточеного ламінарної плівкою.

При русі з малою швидкістю (малі Re) ламінарний плівка товщі, ніж виступи шорсткості, зона течії в цьому випадку називається гладкою. Тобто шорсткість стінок труб впливу на турбулентних характер перебігу не робить, і коефіцієнти λ або з будуть функціями тільки від числа Рейнольдса. Опору ж стануть пропорційні приблизно самої величиною швидкості.

При великих Re (великій швидкості руху середовища) ламінарний плівка вже не може компенсувати вплив шорсткості. Опір стінок пропорційні вже квадрату швидкості. Зона руху виявляється квадратичної. Аргументом, визначальним коефіцієнти опору; є вже відносна шорсткість Δе / R, а не число Re.

Коли товщина ламінарної плівки і висота виступів шорсткості стінок трубопроводу можна порівняти за величиною, рух відбувається в перехідній зоні, розташованій між квадратичної і гладкою. Тут на коефіцієнти λ і з впливають в'язкість рідини і відносна шорсткість труб. Опору будуть пропорційними швидкості потоку в проміжку ступеня від 1,75 до 2.

Коефіцієнти опору тертю по довжині λ визначаються за формулою професора Н. Ф. Федорова

де

• R - гідравлічний радіус в см;
• Δе - еквівалентна шорсткість в см (таблична величина);
• А2 коефіцієнт, що залежить від характеру шорсткості стінок труб (таблична величина, безрозмірна).

У правій частині формули знаходяться два члена, що відображають фази турбулентного режиму руху рідини: перший - шорстку, другий - гладку.

Незручність формули при гідравлічному розрахунку полягає в присутності числа Рейнольдса в другому члені, яке невідомо при постановці завдання.

При перебігу стічних вод зі швидкістю вище 1,5 м / сек турбулентний рух буде відбуватися в режимі квадратичном. Вести розрахунок в цьому випадку можна за формулою Шезі з визначенням його коефіцієнта з з формули Н. Н. Павловського:

c = Ry / n.

тут

• п - коефіцієнт шорсткості;
• R - гідравлічний радіус в м;
• у - показник ступеня.

На величину останнього параметра впливають гідравлічний радіус R і коефіцієнт шорсткості п. Для його обчислення існують формули розгорнута

y = 2,5 √n̅͞͞ - 0,13 - 0,75 √R̅ (√n̅͞͞ - 0,10),

і скорочені:

при R менше 1 м y ≈ 1,5 √n̅͞͞;

при R більше 1 м y ≈ 1,3 √n͞͞.

У формулі Павловського цей показник при п = 0,013 приблизно дорівнює 1/6. У цьому випадку формула гранично спрощується:

c = R1 / 6 / n

У деяких країнах вона відома як формула Маннинга. У практичному плані результати обчислень по обидва формулами майже збігаються, особливо при п = 0,014. Практикам корисно використовувати табличні дані, складені за формулами Павловського і Федорова і приведені для труб і каналів з різних широко застосовуваних матеріалів.