CC BY
118
42
Железнодорожный путь, мосты и строительство
- микронаполнители, создающие пористую «демпфирующую» структуру цементного камня.
5. Заключение
Проведенные эксперименты определили дальнейшие направления исследования:
- многократно (3-4 раза) повторить опыты с наиболее удачными добавками и микронаполнителями с целью получения статистических данных;
- выполнить опыты с комбинациями веществ с разными механизмами действия по уменьшению степени трещинообразования. В частности, уже выполнены испытания составов с микронаполнителями (гранит, граншлак, микротальк, микробарит, доломит) в присутствии добавки, снижающей водопотребление (пластификатор С-3);
- планируется для наиболее устойчивых к трещинообразованию составов произвести рентгено - фазовый и электронно-лучевой анализы. Возможно, будут применены иные независимые физико-химические методы исследования.
6. Литература
Лермит Р. Проблемы технологии бетона. М: Госстройиздат. 1959
Невилль А.М. Свойства бетона. М: Стройиздат. 1972
Венюа М. Цементы и бетоны в строительстве. М: Стройиздат. 1980
УДК 621.644
О ГИДРАВЛИЧЕСКОМ УДАРЕ В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ, ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Н.В. Твардовская
Аннотация
Для обеспечения надежной работы напорных трубопроводов водоотведения необходим расчет параметров потока и организация соответствующей защиты данных сооружений от резких повышений давления (гидравлических ударов), которые при подаче сточных вод имеют свои особенности. Предлагаемая методика расчета основных гидродинамических параметров при гидравлическом ударе учитывает многофазность данного напорного потока. Также в работе даны основные рекомендации по выбору противоударных средств для защиты напорных трубопроводов систем водоотведения.
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
Железнодорожный путь, мосты и строительство
43
Ключевые слова: неустановившееся напорное течение; гидравлический удар; сточные воды; многофазная жидкость; континуальный метод; скорость распространения ударной волны; коэффициент гидравлического трения; метод характеристик; скорость потока; давление гидравлического удара; противоударная защита.
Введение
В настоящее время для транспортирования сточной жидкости от жилых кварталов и промышленных предприятий к станциям очистки часто возникает необходимость напорной подачи стоков, особенно в случае развития и застройки современных городов в местностях со сложным рельефом, а также для городов-мегаполисов.
Резкие повышения давления в таких системах могут приводить к авариям, при которых возможно загрязнение окружающей среды сточными водами. Чтобы обеспечить надежную работу данных сооружений, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации необходимо проведение соответствующих расчетов трубопровода на гидравлический удар. От точности проведения таких расчетов во многом зависит выбор наиболее эффективных средств противоударной защиты и материала труб.
Исследованием неустановившегося течения в трубах занимались
H. Е.Жуковский, В.Стритер, Л.Ф.Мошнин, Н.А.Картвелишвили, И.А.Чарный, К.П.Вишневский, Д.Н.Смирнов, Л.Б.Зубов, Г.И.Мелконян, Б.Ф.Лямаев, А.Г.Джваршеишвили, Л.И.Махарадзе, Г.И.Кирмелашвили, В.М.Алышев, В.С.Дикаревский, О.Г.Капинос и многие другие. В результате чего были разработаны методики расчета гидравлического удара для напорных трубопроводов гидроэнергетики, систем питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения, гидротранспорта.
Изучение гидравлических ударов в напорных потоках сточных вод по нашим данным до сего времени вообще не проводилось и специальной методики расчета для напорных водоотводящих систем создано не было. В связи с этим была поставлена задача разработать методику расчета гидродинамических параметров потока сточных вод и дать основные рекомендации по противоударной защите напорных систем водоотведения.
I. Расчет напорных трубопроводов водоотведения на гидравлический удар
1.1. Особенности математического описания неустановившегося напорного течения сточных вод
Сточные воды по своему составу являются наиболее сложной физикохимической системой с точки зрения описания процессов неустановившегося течения по сравнению с другими жидкостями, подвергающимися напорной транспортировке.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/1
44
Железнодорожный путь, мосты и строительство
На сегодняшний день не существует четкой теории, описывающей неустановившееся течение многофазной и многокомпонентной жидкости. Для описания движения такой неоднородной жидкости в данной работе использован наиболее широко применяемый в этом случае континуальный метод. В его основе лежит предположение, что все три фазы равномерно распределены по всему объему осреднения (континуума). При таком подходе напорный поток рассматривается как условно-однородная жидкость, в которой наличие газовой и твердой составляющих влияет на величину коэффициента гидравлического трения Л и скорость распространения волны гидравлического удара С, а неустановившееся напорное течение его описывается системой дифференциальных уравнений, включающей в себя уравнение неразрывности и уравнение количества движения жидкости (Дикаревский В.С., 1997):
ЯР ЯР лу
— + v— + pc:2 —
dt дх дх
0
+ V
д¥_
дх
\эа+Р-£-^+лрщ=0
(1)
дх
2D
где: P -t -V -
Р -C -
g -z -
D -X -
давление, Па; время, с;
скорость течения потока, м/с;
-5
плотность напорного потока, кг/м ;
скорость распространения ударного импульса, м/с;
Л
ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с ; высотная отметка трубы, м; диаметр трубопровода, м; коэффициент гидравлического трения.
1.2. Определение скорости распространения волны гидравлического удара
Скорость распространения ударной волны С является одной из основных характеристик гидравлического удара. Ориентируясь на работы грузинских ученых (Джваршеишвили А.Г., Кирмелашвили Г.И., 1965), а так же принимая во внимание более точный метод учета влияния нерастворенного воздуха, используемый В.С.Дикаревским (Дикаревский В.С., 1997), для вычисления величины С в сточных водах была выведена соответствующая формула (Твардовская Н.В., 2003). Она позволяет определять скорость распространения волны гидравлического удара в зависимости от газосодержания стоков и концентрации твердой фазы в потоке.
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
Железнодорожный путь, мосты и строительство
45
1.3. Расчет основных параметров потока при гидравлическом ударе
Для интегрирования системы дифференциальных уравнений неустановившегося напорного течения (1) в работе используется наиболее распространенный метод расчета - метод характеристик. Используя его, определение скорости потока и давления гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения с учетом вносимых поправок предлагается вести аналогично методике расчета, описанной в работе (Дикаревский В.С., Капинос О.Г., 2003), учитывающей возможность возникновения разрывов сплошности потока по длине трубопровода и особенности его продольного профиля.
Как отмечалось, наличие газовой и твердой составляющих в потоке учитывается при расчете скорости распространения ударной волны С. Коэффициент гидравлического трения Л в этом случае, согласно исследованиям (Джваршеишвили А.Г., Кирмелашвили Г.И., 1965;
Дикаревский В.С., 1997), принят равным аналогичному коэффициенту при установившемся режиме. Подобное допущение для систем водоотведения лежит и в основе расчетов самотечного движения стоков по трубам и каналам.
Определение коэффициента гидравлического трения Л для бытовых сточных вод выполняется по формуле Н.Ф.Федорова, учитывающей материал, а также качество внутренней поверхности применяемых в водоотведении труб (Федоров Н.Ф., 1964). Для сильнозагрязненных сточных вод, что характерно для производственных стоков, а также различных жидких осадков учет дополнительных сопротивлений, возникающих в потоке из-за наличия твердого вещества предлагается вести по формуле, используемой В.К.Тарасовым (Тарасов В.К., 1990) для напорных взвесенесущих потоков.
1.4. Результаты расчетов
Для расчета основных параметров потока, возникающих в системе при гидравлическом ударе, с учетом выше отмеченного, была составлена соответствующая программа, по которой производились расчеты для конкретных трубопроводов.
Проведенное сравнение расчетных и опытных данных подтверждает достаточную для практики точность получаемых по данному методу численных значений параметров. По данной программе были проведены расчеты с тем, чтобы проанализировать влияние на параметры потока газовой и твердой составляющих.
Результаты расчетов подтвердили, что наличие газовой составляющей оказывает наибольшее влияние на параметры потока при гидравлическом ударе. Даже при малых газосодержаниях (1-1,5%) величина скорости С и ударного давления резко уменьшаются (Твардовская Н.В., 2003).
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/1
46
Железнодорожный путь, мосты и строительство
Наличие твердой фазы в меньшей степени влияет на параметры потока. Только значительное количество твердого вещества в потоке (>10%) может существенно увеличить периоды понижения давления и вызвать рост величины ударного давления, особенно в трубопроводах малых диаметров.
Таким образом, учет многофазности сточных вод при расчете гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения позволяет точнее определять параметры потока и тем самым способствовать более правильному подбору средств противоударной защиты.
2. Защита напорных систем водоотведения от резких повышений давления
Особую сложность для напорных трубопроводов водоотведения представляет выбор средств защиты от гидравлических ударов. Стоки являются многокомпонентной и гетерогенной системой, поэтому многие противоударные устройства, хорошо срабатывающие на чистой воде, в условиях сточных вод достаточно быстро засоряются и не выполняют своих функций. В настоящее время, за исключением разработок для гидротранспортных систем (Джваршеишвили А.Г., Кирмелашвили Г.И., 1965), исследования по защите от резких повышений давления в трубопроводах, перекачивающих многофазные жидкости, практически отсутствуют.
В результате проведенного анализа разработанных на данный момент методов противоударной защиты напорных систем различного назначения для трубопроводов водоотведения рекомендуется использовать гасители гидравлического удара с демпфирующим рабочим органом в виде торов, сфер шаров, шлангов, герметических металлических сильфонов. Гашение волн повышения давления в данных системах можно осуществить с помощью специальных, приспособленных к условиям работы на сточной воде противоударных клапанов. Возможно применять аварийную защиту трубопроводов с помощью разрывных мембран. Для ликвидации возможности возникновения вакуума необходимо осуществлять впуск и защемление воздуха в опасных точках трубопровода. Впуск воздуха во всасывающий трубопровод можно также использовать для снижения возможных повышений давления в системе путем аэрирования потока по длине всей магистрали.
Выбор наиболее эффективных средств защиты в каждом конкретном случае определяется на основе технико-экономического сравнения вариантов, а для организации более надежной защиты напорных трубопроводов, перекачивающих сточные воды, рационально применять комбинации указанных способов.
2004/1
Известия Петербургского университета путей сообщения
Железнодорожный путь, мосты и строительство
47
3. Заключение
Предлагаемая методика расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения позволяет определять гидродинамические параметры потока сточных вод с учетом его многофазности и особенностей продольного профиля магистрали, что в свою очередь дает возможность более правильно подбирать и рассчитывать противоударные устройства.
Использование отмеченных в работе средств для защиты от резких повышений давления напорных водоотводящих систем способствует предупреждению случаев возникновения гидравлических ударов в трубопроводах и тем самым снижает вероятность возникновения аварий.
4. Литература
Дикаревский В.С. Водоводы. Монография. Труды РААСН. Строительные науки.т.3 -М.: РААСН, 1997. - 200 с.
Джваршейшвили А.Г., Кирмелашвили Г.И. Нестационарные режимы работы систем, подающих двухфазную жидкость. - Тбилиси: Мецниереба, 1965.
Твардовская Н.В. Расчет скорости распространения ударной волны в трубопроводах, перекачивающих сточные воды.// “Шаг в будущее” (Неделя науки-2003). Межвузовский сборник научных трудов - СПб: ПГУПС, 2003. - с.122-125.
Дикаревский В.С, Капинос О.Г. Расчет гидравлического удара в магистральных трубопроводах, уложенных на пересеченной местности. // «Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе». Труды годичного собрания РААСН. - М.-Казань: КГАСА, 2003. -с.277-281.
Федоров Н.Ф. Новые исследования и гидравлические расчеты канализационных сетей. -М.-Л.: Стройиздат, 1964.- 320 с.
Тарасов В.К. Динамическая структура и потери напора двухфазного взвесенесущего потока./ Автореферат диссертации а соискание ученой степени доктора технических наук - М: МИСИ, 1990. - 41 с.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2004/1
