CC BY
5УДК 628.2.
Кузьмин В.Д.
студент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург, Россия)
РАССМОТРЕНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА РАСХОД ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО СТОКА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX
Аннотация: статья посвящена исследованию взаимного влияния трубопроводов на инфильтрационный сток с помощью моделирования процесса в программном комплексе ANSYS CFX (Computational Fluid Dynamics). В статье описывается моделирование фильтрации в водонасыщенном пласте грунта, где размещены две трубы с щелевым отверстием. Произведено сравнение моделей с одной трубой и двумя, дана оценка расходов, поступающих в трубы через щелевое отверстие.
Ключевые слова: ANSYS CFX, инфильтрационный сток, расчет водоприемной способности.
Ведение
Инфильтрация в контексте этой статьи будет подразумевать собой поступление грунтовых вод в безнапорные трубопроводы и сооружения водоотводящей сети через различные неплотности конструкции, возникающие как в процессе эксплуатации, так и в ходе строительства [6].
Существующие методики расчета инфильтрационного стока не описывают физику процесса, а дают лишь количественную оценку расхода на основании общих данных, так можно примером является формула, приведенная в [7].
Наиболее близкий по сути к инфильтрации - процесс дренирования или водопонижения территории, где в методиках расчета учитывается взаимное влияние трубопроводов [4]. Цель этой статьи - смоделировать 2 трубы водоотводящей сети имеющих одинаковое щелевое отверстие в 5 мм и оценить расход, поступающий в каждую.
Методы
ANSYS CFX (Computational Fluid Dynamics) - программный комплекс, позволяющий моделировать протекание различных процессов с помощью метода конечных элементов [3]. Он позволяет моделировать процессы фильтрации в заданной среде и получать численные значения различных параметров.
В модели построена толща водо-насыщенного грунта толщиной 200 мм, в ней размещено 2 трубы на расстоянии 1,5 м в свету с щелевым отверстием в 5 мм (см. рис.1.). Расчетная модель разбита на 3 типа областей с разными характеристиками.
1) Fluid Domain (воздух при нормальном атмосферном давлении);
Эта область относиться к воздушной составляющей над поверхностью
грунта и в трубе.
2) Porous Domain (вода, воздух, твердая фракция);
В этой области параметры, характеризующие пористую, изотропную среду будут следующими: объемная пористость (Volume porosity) равная для песков 0,6 и проницаемость (Permeability), которая для песков составляет 1,2-10-1°.
3) Solid Domain (бетонная стенка трубы);
Время расчета ограничено в 60 с. с шагом в 1 секунду. Было проведено 2 расчета, один с двумя трубами, второй с одиночной трубой, вторая в этом случае просто не обозначена в характеристиках. Результаты расхода (Mass Flow), поступающего в трубы найденые с помощью функции Calculator в модели, приведены в таблице 1.
Рис.1. Условная схема расчетного моделирования Результаты моделирования
Рис.2. Векторы скоростей: А- общий вид; Б- в области водоприемного
отверстия
Рис.3. Линии тока процесса фильтрации Таблица 1. Результаты расчета расхода, поступающего в трубу
Расход в каждую трубу, при размещении 2х труб, л/с на 1 м Расход при одиночном размещении трубы, л/с на 1м
0,01526 0,01624
Обсуждение результатов
Оценим результаты моделирования, применяя формулу для вычисления расхода, поступающего через заданную щель в дренажную трубу [9]:
_ , 2 (1)
1п—+1п-
0
Где:
т - ширина щели; Б - диаметр трубы;
L -длина дрены. t - глубина от поверхности.
Таблица.2. Результаты расхода, поступающего в трубу по формуле (1)
D, м т, м Кфильтр, м/сут H Q, м3/ч Q, л/с
0,2 0,05 20 1,5 24,97324 0,000000289
Как видно из таблицы результат расхода, поступающего в трубу через щель шириной 5 мм много меньше того, который получается в результате моделирования, что говорит о некорректных результатах моделирования.
При изменении объемная пористости (Volume porosity) и проницаемость (Permeability) результаты моделирования все-равно не удается добиться результатов, близких к таблице. Выводы
При моделировании процессов фильтрации стоит строго подходить к верификации результатов моделирования, потому как ANSYS CFX (Computational Fluid Dynamics) изначально не имеет заложенного материала в виде грунта, то моделирование пористых материалов может быть не корректным. Однако данные моделирования можно использовать для визуализации процессов фильтрации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ANSYS Student | Free Student Software (ANSYS - Продукты. Бесплатное программное обеспечение для студентов). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ansys.com/academic/free-student-products
2. ANSYS CFX tutorial. Canonsburg: Inc. Southpointe, 2010. Release 13.0.
3. В.А. Пронин, Д.В. Жигновская, В.А. Цветков, Введение в расчетную платформу Ansys Workbench: Лабораторные работы. Часть 1 - СПб: Университет ИТМО, 2019. - 46 с.
4. РМД 50-06-2009. Дренажи в проектировании зданий сооружений. СПб., 2009. -30 с.
5. Плотников Н. А., Алексеев В. С. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод. — М.: Стройиздат, 1990— 256 с;
6. Алексеев М.И., Верхотуров В.П., Кудрявцев А.В. Оценка объемов поступления инфильтрационных вод в системы централизованного водоотведения. // Вестник гражданских инженеров. 2020 №6(83);
7. Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации приказ от 17 октября 2014 года n 639/пр об утверждении методических указаний по расчету объема принятых(отведенных) поверхностных сточных вод;
8. А.Ф. Тернов Гидравлика грунтовых вод: учеб. пособие - Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. - 63 с;
9. Мурашко А.И. Горизонтальный пластмассовый дренаж. Минск: Ураджай, 1973.
Kuzmin V.D.
student Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Saint Petersburg, Russia)
CONSIDERATION OF THE MUTUAL INFLUENCE OF PIPELINES ON THE FLOW RATE OF INFILTRATION RUNOFF USING THE ANSYS CFX SOFTWARE PACKAGE
Abstract: the article is devoted to the study of the mutual influence of pipelines on infiltration runoff using process modeling in the ANSYS CFX (Computational Fluid Dynamics) software package. The article describes the simulation of filtration in a water-saturated layer of soil, where two pipes with a slit hole are placed. A comparison of models with one pipe and two is made, an estimate of the costs entering the pipes through a slit hole is given.
Keywords: ANSYS CFX, infiltration runoff, calculation of water intake capacity.
