CC BY
20
по массе, %
fínn
^nn
400- -*-ППС №1 -■-ППС №2 ППС №3
300 /
// ППС №4
100
0-
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Рис.5. Зависимость водопоглощения от продолжительности увлажнения пенополистирола: 1 - «Новый изодом»; 2 - «Изодом»; 3 - «СтройПрофиГрупп»; 4 - «Неомир»
Выводы
1. ГОСТ 15588-86, ГОСТ Р 53785-2010 и ГОСТ Р 53786-2010 предписывают использовать вспененный пенополистирол исключительно «в качестве среднего слоя строительной ограждающей конструкции». В статье доказана возможность применения конструкционного пенополистирола в наружных слоях стен малоэтажных зданий при условии требуемой влагозащиты.
2. Установлено, что в климатических условиях прибрежной и континентальной части юга Дальнего Востока использование пенополистирола в качестве опалубки (и соответственно теплоизоляционных слоев) позволяет обеспечить нормативную теплозащиту за счет утепления железобетонного слоя с двух сторон слоями пенополистирола 7,0 см (внешний слой) и 5,0 см (внутренний слой). Данную конструкцию можно заменить на однослойное размещение пенополисти-рола толщиной 12 см.
3. Экспериментальные исследования теплофизических свойств пенополистирола (плотностью 25-40 кг/м3) позволяют признать наилучшим вариантом экструзионный пенополистирол плотностью 40 кг/м3 для применения в качестве несъемной опалубки.
4. Установлено, что расчетное время эксплуатации с учетом изменения коэффициента теплопроводности конструкционного пенополистирола ПСБ-С различных производителей находится в пределах от 18 до 24 лет. В то же время расчетное время эксплуатации экструзионного пенополистирола выше в 2 раза и составляет 41 год.
5. Разработана опалубка для стен с применением ЭППС. На данную опалубку подана заявка на оформление патента на изобретение. Несмотря на высокую стоимость, несъемная опалубка из ЭППС обеспечивает больший срок эксплуатации, чем выпускающаяся в настоящее время опалубка.
Библиографический список
1. Матросов Ю.А. Энергоэффективность и экология - основа современных требований к теплозащите зданий // ACADEMIA. 2009. №5. С.283-290.
2. Береговой А.М. Здания с энергосберегающими конструкциями: дис. ... д-ра техн. наук. Пенза, 2005. 344 с.
3. ГОСТ 15588-86 Плиты пенополистирольные. Технические условия. М., 1988.
4. ГОСТ Р 53785-2010. Системы фасадные теплоизоляцион-
ные композиционные с наружными штукатурными слоями. М., 2011.
5. ГОСТ Р 53786-2010 Системы фасадные теплоизоляционные композиционные с наружными штукатурными слоями. Термины и определения. М., 2011.
6. Модифицированный песчаный судостроительный бетон
[Электронный ресурс]. Адрес доступа: Ь|Мр://ора1иЬка-
info.ru/technology-shipbuilding-concrete.html
УДК 628.218
ДВИЖЕНИЕ СТОКОВ В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ © Р.В. Чупин1
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложено моделировать движение стоков по улицам и площадям потоками, транспортируемыми по кольцевым каналам прямоугольного сечения, которые могут иметь как прямые, так и обратные уклоны. Приведены методика и пример расчета таких каналов, получены основные гидравлические соотношения и формулы растека-
1Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Roman, Candidate of technical sciences, Doctoral Candidate of the Department of Civil engineering and Economy, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
ния стоков в узлах деления потоков.
Ил. 8. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: движение стоков в кольцевых каналах прямоугольного сечения; гидравлический расчет; оценка заполнения каналов водой.
DRAINAGE FLOW IN ANNULAR DUCTS OF RECTANGULAR SECTION R.V. Chupin
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
It is proposed to simulate drainage motion in the streets and squares by the flows, transported in the annular ducts of rectangular section with direct or adverse gradients. The article provides the procedure and the calculation example of these ductings. Main hydraulic correlations and formulas of drainage spreading in the nodes of flow division are obtained. 8 figures. 2 sources.
Key words: drainage flow in annular ducts of rectangular section; hydraulic calculation; evaluation of filling ductings with water.
Каналы прямоугольного сечения кольцевой структуры находят применение в гидромелиорации, в системах сбора и отвода поверхностного водостока городских территорий, в системах водоотведения бытовых, ливневых и промышленных стоков. Такими каналами можно моделировать и течение стоков по территориям с многоэтажными жилыми домами. Известно, что наибольшие негативные воздействия на урбанизированные территории оказывают такие природные и техногенные явления, как подтопление и затопление, вызванные ливнями, выходом из берегов рек и водохранилищ, прорывом дамб, утечками из систем водоснабжения и водоотведения и др. Для прибрежных городов особенно опасными являются волны цунами и тайфуны. Предвидеть такие явления, уметь их моделировать и минимизировать ущерб от их воздействия является важнейшей задачей. Опыт в решении этих проблем в мировой практике имеется. Наибольшее распространение для моделирования таких явлений получили геоинформационные системы с использованием цифровых моделей местности в виде трехмерных данных. Большой интерес представляют и модели, основанные на решении дифференциальных уравнений неустановившегося движения воды в открытых руслах (уравнение Сен-Венана), включая волны прорыва, движение воды по сухому руслу и т.д.
[1]. Широкое распространение для моделирования подтопления территорий и городов получили программные продукты MIKE LOOD (российский дилер НКФ «Волга»), «БОР» (разработчик ОАО «НИИЭС»), ECO GIS (Волгоградский госуниверситет). Проведенные сопоставления результатов расчетов по программе MIKE LOOD с реальными событиями прорыва дамбы и затопления города Крымска показали их высокую эффективность и хорошие совпадения. Вместе с тем для работоспособности этих моделей требуется огромная информация не только о рельефе местности, но и строениях города, его уличной сети и подземных коллекторах. С другой стороны, сформировать заранее граничные условия при решении системы дифференциальных уравнений для таких объектов затруднительно.
В настоящей работе предлагается рассмотреть движение воды по улицам города на основе гидравлики установившегося и неустановившегося равно-
мерного движения в открытых руслах прямоугольного сечения. Такие русла будут иметь кольцевую структуру с прямыми и обратными уклонами. На рис. 1,а представлен разрез улицы, который можно рассматривать как поперечное сечение прямоугольного канала, а на рис. 1,6 показана уличная сеть города, которую можно представить в виде системы каналов кольцевой структуры. На рис. 1,е представлены улицы как каналы с прямыми и обратными уклонами.
Рассмотрим некоторые общие принципы, закономерности и формулы расчета открытых каналов. Известно, что для движущейся жидкости в открытых каналах наступает равновесие сил гравитации и сил трения. Следовательно, на участках с прямым уклоном будет наблюдаться установившееся равномерное движение, а для каналов с обратным уклоном - установившееся неравномерное движение воды за счет разности площадей живых сечений в начале и в конце расчетного участка. В узлах сопряжения каналов могут образовываться кривые спада или подпора в зависимости от смены уклонов и наличия перепадов.
Для установившегося равномерного движения основной формулой расчета является уравнение Шези:
2 = ш * с * 1ш = Ь*й0; с = ^йу;
где ш - площадь живого сечения; Ь - ширина канала; к0 - нормальная глубина воды в канале; с - коэффициент Шези; Д - гидравлический радиус; х - смоченный периметр; п - шероховатость канала; у - коэффициент, принимаемый в формуле Маннинга равным 1/6.
Для определения вида и построения кривых сопряжения требуется знание критической глубины, т.е. глубины, соответствующей минимуму удельной энергии сечения. Критическая глубина для канала с прямоугольным сечением вычисляется по формуле
g - ускорение свободного падения.
а)
б)
в)
Рис. 1. Представление уличной сети в виде прямоугольных каналов кольцевой структуры
Сопоставляя Ьо и ккг, определяют вид кривых сопряжений (подпора или спада).
Таким образом, основное функциональное уравнение для канала (или улицы) с прямым уклоном имеет вид:
п*(2*Но+Ь)°
,'0,5
(2)
На участках с / < 0 силы тяжести воды будут иметь нулевое действие, либо отрицательное значение. Тем не менее движение будет происходить за счет уменьшения удельной энергии потока, которая в свою очередь будет тратиться на преодоление сил трения. В конце расчетного участка глубина канала будет стремиться к критической и, в зависимости от соотношения 11ои ккг, будет иметь место кривая спада (110 > Ькг), или кривая подпора (110 < ккг ). При этом 110 рассматривается как мнимое значение и вычисляется по формуле (2) при условии положительного уклона.
Для вывода функционального уравнения расчета канала с обратным уклоном обратимся к рис. 2, на котором представлены два последовательных участка
с обратными уклонами (рис. 2,а) и обратным и нулевым уклонами (рис. 2,6). При независимом рассмотрении каждого отдельного участка можно констатировать, что в конце канала установится критическая глубина, и в случае 110 > ккг будет наблюдаться кривая спада, которая асимптотически приближается к горизонтальной плоскости в начале участка, а в случае 110 < Ькг - кривая подпора, которая асимптотическим приближается к .
Таким образом, во всех случаях в конце расчетного участка установится критическая глубина, а в начале участка глубина будет приближаться к нормальной (мнимой) глубине плюс перепад отметок в начале и в конце расчетного участка (см. рис 2):
Ьн = Ьо + Ш*^
где Ь о можно вычислить по формуле (1), принимая ¿=|1|.
С учетом приведенных выше рассуждений рассмотрим случай растекания стоков по каналам, имеющим как прямые, так и обратные уклоны.
а) б)
Рис. 2. Движение стоков в руслах с обратными уклонами
Пусть по одному каналу стоки поступают к узлу деления потоков и по трем каналам с і > 0 они растекаются (рис 3).
Рис. 3. Схема растекания стоков в каналах прямоугольного сечения
С учетом уравнения материального баланса в уз-
ле
(^ - (^ і + + Q з ,
получим следующую систему уравнений:
(3)
<2і = <?2 =
Пі*(2*Ьо+Ьі)0'25 ’ ( М2* Ю 0 ) 1
,1,25^0,5
<2з =
(4)
1,25, ;0,5
п3*(2*/і0 + Ьз)0'25
В итоге имеем четыре уравнения с четырьмя неизвестными величинами: ¿1 ,(}2,(}3,11о.
Решать эту систему уравнений предлагается по схеме метода узловых давлений:
, которая заключается в определении таких расходов в каналах, чтобы их начальные глубины были одинаковыми и равными давлению в узле схода и деления потоков [2]. Для этого применяется схема последовательных приближений: Ьо=0+д Ь,..., НСД,
где ЩД - высота канала в расчетном узле; дЬ - шаг
изменения глубины в каналах. С учетом фиксированной глубины по формуле (4) вычисляются расходы по каналам и сопоставляются с известной величиной притока 2. Эти действия производятся до выполнения условия ¿1 + ¿2 + (}3 * 2. Если окажется что Ь0>нСД, то каналы будут переполнены. Возможен случай, когда 2 яъпяет ся неизвестной величиной, а задана лишь глубина Ьо в расчетном узле. В этом случае по формулам (4) определяются расходы в каналах, а по формуле (3) вычисляется величина притока в расчетный узел.
Пример: Ь1=12 м; Ь2=14 м; Ь3=10 м; /1=0,001; /2=0,003; /3=0,005; 0=90 м3/а
Решение: Л=0,98 м; 01=18,33 м3/^ 02=37,27 м3/c; 0=34,16 м3/а
Рассмотрим случай, когда растекание происходит по каналам, имеющим как прямые, так и обратные уклоны (рис. 4).
При /=0 в конце канала установится критическая глубина, и расход стоков будет вычисляться по формуле (1):
2 д*Ь2* НЗ]{Г
=
Пусть в узел 1 приходит поток, равный , и растекается по двум участкам. Первый участок имеет обратный уклон, второй - прямой. Уравнение баланса расходов запишется как
2 = (¿1 + <?2.
При | | расход по первому участку
будет определяться как
(Ь]_* (к-1^1*^ )) 1,2 5*|11|0,5.
П*(2* (к—111 * £ 1 )+Ь1 0 015 ;
(їі=-
расход по второму участку - как
_ ( ь2*ю12**і0*
<?2
7І2 *(2*Н+Ьг)0
Имеем три уравнения и три неизвестных Q1,Q2,h. Схема решения аналогичная: h + ДЬ,. . ., Нс3р. Глубина в канале последовательно увеличивается до выполнения условия .
Рис. 4. Растекание стоков по каналам, имеющим прямые и обратные уклоны
Пример 1: Ь1=12 м; Ь2=14 м; /'=- 0,01; /=100 м; /2=0,003; 0=54 м3/с.
Решение: Л=1,2 м; 0=7,5 м3/с; 02=46,76 м3/с.
Пример 2: Ь1=12 м; Ь2=14 м; /'=-0,01; /=100 м; ¡2=0,003; 0=30 м3/с.
Решение: Л=0,8 м; 0=0 м3/с; 02=30 м3/с.
В случае каналов кольцевой структуры возникает многообразие режимов течения стоков, и на первых этапах вычислительного процесса невозможно заранее определить расходы стоков, которые будут растекаться по каналам. Рассмотрим пример, когда кольцевая структура представлена участками с прямыми и обратными уклонами (рис. 5).
Предположим, что высота подтопления в узле 1 определена, следовательно, для канала 1 - 2 по формуле (2) можно вычислить расход стоков и определить пьезометрический напор в узле 2:
Р2=Р1~1* I 1 - 2.
Рассматривая канал 2-3, имеющий обратный уклон, независимо, можно сделать вывод, что движе-
ние стоков по нему не произойдет, так как > Р2.
Вместе с тем, если Р1 > 13, то уровень воды в канале 2 - 3 поднимется, и кривая спада будет асимпотически стремиться к уровню Р1 (см. рис. 5). Следовательно, расход на этом канале можно вычислить по формуле
(2), принимая при этом к0 = Р1 Если же Р1 <
то уровень стоков в каналах 1 - 2 и 2 - 3 установится на горизонте , и движение стоков проходить не будет. Если в узле 2 происходит разделение потоков по схеме, представленной на рис. 6, вычислительный процесс по формулам (4) покажет, что весь сток пойдет по каналам 2 - 5 и 5 - 4.
После анализа и гидравлических вычислений всех участков сети в направлении от узла входа потока к узлам выхода потоков осуществляется обратный ход, результатом которого будет коррекция режимов движения стоков. В качестве примера рассмотрим сеть прямоугольных каналов, состоящую из 12 каналов и 4 контуров (рис. 7). Поскольку узел 1 моделирует вход потока, а узел 9 - выход потока, расчет, соответственно, производился от узла 1 к узлу 9.
Рис. 5. Движение стоков в каналах с прямыми и обратным уклонами
Рис. 6. Схема деления потоков в кольцевых каналах
Рис. 7. Схема кольцевых каналов прямоугольного сечения
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 8. Профили кольцевых каналов прямоугольного сечения
Итоги расчета в виде профилей каналов представлены на рис 8, где 8,а и 8,6 - профили каналов, полученные в результате решений прямым и обратным ходом согласно уравнениям (3), (4). Рис. 8,е, 8,г, 8,6 соответствуют профилям каналов, полученным в результате прямых и обратных ходов и решений уравнений (3), (4).
Анализируя результаты расчета, можно сделать выводы, что если поток воды придет в узел 1 на
уровне одного метра, то глубины в каналах будут не более двух метров, а узлы 3 и 7 останутся незатоп-ленными.
Таким образом, предлагаемая в работе методика позволяет проводить расчеты по заполнению кольцевых каналов прямоугольного сечения стоками и моделировать различные варианты прохождения паводковых волн затопления.
Библиографический список
1. Хранов С.С., Хоперсков А.В., Еремин М.А. Моделирование динамики поверхностных вод. Волгоград: Изд-во Волгоградского государственного университета, 2010. 122 с.
2..Чупин Р.В., Шишелова Т.И., Бобер А.А. Безнапорное дви-
жение стоков в системах водоотведения кольцевой структуры // Фундаментальные исследования.2012. № 11. Ч. 6. С. 1480-1486.
