käyttöönotto
viemäröinti voidaan määritellä jätevesien evakuoinniksi nopeasti ja kaukana asutuilta alueilta ja liikealueilta ilman putkien seisahtumista. Viemäreiden evakuointijärjestelmien paras suunnittelu alkaa tutkimalla niiden toimintaan vaikuttavia parametreja, mukaan lukien tekniset, ympäristölliset ja taloudelliset tekijät (McGhee and Steel, 1991).
keruujärjestelmän virtausta pidetään yleensä tasaisena ja tasaisena. Useat tutkijat ovat tutkineet tätä virtaustyyppiä laajasti, ja siinä on ehdotettu useita lähestymistapoja, kuten graafisia menetelmiä (Camp, 1946; Chow, 1959; Swarna and Modak, 1990), puoligrafisia ratkaisuja (Zeghadnia et al., 2009) ja nomograms (McGhee and Steel, 1991) tai tables (Chow, 1959). Tällaisia lähestymistapoja pidetään kuitenkin yleensä rajallisina, ja useimpia niistä voidaan soveltaa vain rajoitetuissa olosuhteissa. Numeeriset ratkaisut ovat yleensä suositeltavia käytännössä, mutta niitä on vaikea soveltaa ja ne on käytävä läpi suhteellisen pitkiä yritys-ja virhemenettelyjä.
joukko tutkijoita on yrittänyt ehdottaa eksplisiittisiä yhtälöitä normaalisyvyyden laskemiseksi (Barr ja Das, 1986; Saatci, 1990; Swamee ja Rathie, 2004; Achour ja Bedjaoui, 2006). Muut kirjoittajat mieluummin simuloida paineistettu virtaus vapaa pintavirta käyttäen Preissmann Slot menetelmä, joten ne voivat mallintaa siirtyminen vapaa pintavirta lisämaksulliseen tilaan ja päinvastoin (Cunge et al., 1980; Garcia-Navarro ym., 1994; Capart ym., 1997; Ji, 1998; Trajkovic et al., 1999; Ferreri ym., 2010).
suurin osa tämän alan tutkimuksesta keskittyy voimakkaasti virtausparametrien määrittämiseen tarkastelematta putken sisällä virtaavan virtauksen suorituskykyä. Tehokkaan putken käsitteestä ei ole aiemmin erikseen keskusteltu. Kirjoittajat arvelevat, että tämä on ensimmäinen kerta, kun tätä ajatusta on käytetty suoraan putkilaskennassa, jonka pitäisi herättää niin tutkijoiden kuin suunnittelijoidenkin mielenkiinto. Virtauksen hyötysuhde, joten putken hyötysuhde otetaan käyttöön mitattavana ominaisuutena. Näin ollen putki virtaa mahdollisimman käyttö vedenpinnan, ts., joka hyödyntää täysin sen pinta-alaa ja noudattaa teknisiä vaatimuksia, erityisesti nopeuden osalta.
tässä tutkimuksessa valotetaan joitakin tärkeitä teknisiä näkökohtia osittain täytettyjen putkien hydraulisten ja geometristen parametrien määrittämisessä. Analyysissä otetaan huomioon muut parametrit, kuten kaltevuus, halkaisija, nopeus ja putken virtaustehokkuus eksplisiittisten ratkaisujen avulla. Lisäksi keskustellaan ehdotettujen ratkaisujen rajoituksista.
MIEHITYSYHTÄLÖ
Kehäputkia käytetään laajalti saniteettijätevesi-ja hulevesikeräysjärjestelmissä. Viemäriverkostojen suunnittelu perustuu yleensä Manning-malliin (Manning, 1891), jossa virtausosa on pääosin osittain täytetty. Manningin kaavaa käytetään yleisesti käytännössä ja sen oletetaan tuottavan parhaat tulokset oikein käytettynä (Saatci, 1990; Zeghadnia et al., 2014a, b). Miehitysmallin käyttö olettaa virtauksen olevan tasainen ja tasainen, jossa kaltevuus, poikkipinta-ala ja nopeus eivät ole suhteessa aikaan ja ovat vakio analysoitavan putken pituudella (Carlier, 1980). Vapaan pintavirran mallintamiseen käytetty Manningin kaava (Manning, 1891) voidaan kirjoittaa seuraavasti:
tai
missä:
yhtälö 1 ja 2 voidaan kirjoittaa kuviossa esitettyinä veden pintakulman funktioina. 1 seuraavasti:
viikunasta. 1:
| Kuva. 1: | veden pintakulma |
jossa:
| D | : | putken halkaisija (m) |
| lä | : | putken säde: |
| P | : | kostunut kehä (m) |
| θ | : | veden pintakulma (radiaani) |
yhtälö 3 ja 4 tunnetuille virtauksen Q, karheuden n, kaltevuuden S ja halkaisijan D arvoille voidaan ratkaista vasta pitkien iteraatioiden sarjan jälkeen (Giroud et al., 2000). Yhtälö 4 voidaan korvata Eq: lla. 8 (Zeghadnia et al., 2009):
jossa:
siksi:
yhtälö 5 ja 7 saavat uudet muodot seuraavasti:
menetelmä
tilavuushyötysuhteen tai kiertohyötysuhteen estimointi: laskennan yksinkertaistamiseksi putken halkaisija lasketaan usein olettaen, että putki virtaa täysin (ilmanpaineessa). Joko virtausnopeudella tai virtausnopeudella voi olla maksimiarvot, jotka vastaavat tiettyä vedenkorkeutta putkessa (Camp, 1946). Tämän tason alapuolella tai yläpuolella virtaus-tai nopeusarvot pienenevät, mikä tarkoittaa, että putki ei virtaa sen maksimiteholla. Jäteveden ja huleveden keräysjärjestelmien parhaan hydraulisen suunnittelun kannalta ei riitä, että määritetään halkaisija, joka tuottaa hyväksyttävän virtausnopeuden, mutta on myös tarpeen määrittää paras halkaisija, joka mahdollistaa suuremman tehokkuuden ja varmistaa, että putki on täysin hyödynnetty. Putken tilavuushyötysuhteen arvioimiseksi ehdotamme virtausyhtälöä:
jossa:
| Qef | : | volumetrinen tehokkuus (%) |
| Qmax | : | suurin virtaus (m3 sek-1) |
| qr | : | virtaus putkessa (m3 sek-1) |
ja laskea liikkeeseen tehokkuutta putkeen, ehdotamme virtaava kaava:
jossa:
| Vef | : | Kiertotehokkuus (%) |
| Vmax | : | suurin nopeus (m2 sek-1) |
| Vr | : | nopeus putkessa (m2 sek-1) |
| Kuva. 2: | Kiertoputken tilavuus – ja kiertotehokkuus |
volumetrinen ja liikkeeseen tehokkuutta voidaan paremmin selittää graafisen esityksen kuvassa. 2.
kuva 2 osoittaa, että tilavuus-tai kiertotehokkuus riippuu putken täyttötasosta, eivätkä ne eroa samalla tavalla.
0°≤θ≤40°: n tilavuushyötysuhde on käytännössä nolla, kun taas 40°≤θ≤180°: n tilavuushyötysuhde on alle 50%. Jos θ = 185°, hyötysuhde on 50% ja se saavuttaa maksimiarvonsa, Qef ≅100%, arvolla θ = 308°. Kun lämpötila on 308°≤θ≤360°, volumetrinen hyötysuhde laskee 93,09%: n arvoon.
toisaalta kiertotehokkuuden vaihtelu on volumetritehokkuutta nopeampaa. Käytettäessä 0°≤θ≤40°kiertotehokkuus voi olla 20% ja 40°≤θ≤180 ° hyötysuhde 85%. Kiertotehokkuus saavuttaa maksimiarvonsa, Vef ≅100%, arvolla θ = 257°. Kun 257°≤θ≤360°, kiertotehokkuus laskee arvoon 87,74%. Taulukossa 1 esitetään yksityiskohtaisemmin molempien tehokkuusetujen vaihtelua θ: n funktioina.
| Taulukko 1: | tilavuus ja kiertotehokkuus veden pintakulman funktiona |
eQ: n avulla. 12 ja 13, huomaamme, että Qef = 58,59 ja Vef = 67,68%. Näin ollen tämä putki ei ole riittävän tehokas sekä tilavuuden että kierron suhteen. Tässä esimerkissä, vaikka nopeus on teknisesti hyväksyttävä, tämä putki ei virtaa tehokkaasti. Siksi meidän on löydettävä parempi ratkaisu varmistaa korkea hyötysuhde putken, jota käsitellään seuraavissa kohdissa.
tulokset ja keskustelu
suurin tilavuushyötysuhde: hyötysuhdetta käsitellään seuraavissa kappaleissa putkitilavuuden osalta. Mitä korkeampi jälkimmäinen, sitä tehokkaampi putki on.
Maksimivirtausolosuhteet: Kun poikkileikkausvirran pinta-ala a kasvaa, se saavuttaa maksimiarvonsa Amax suurimmalla volumetrisella hyötysuhteella θ = 308.3236 (Zeghadnia et al., 2009). EQ: Sta. 3:
täyteen virtaavalle putkelle virtaus ” Q ” ilmaistaan seuraavasti:
kun yhdistämme Eq. 14 ja 15 saamme seuraavat:
yhtälö 16 esittää täytetyn putken virtauksen ja maksimivirtauksen välisen suhteen, joka minkä tahansa osan osalta on mahdollinen vain, jos seuraava ehto saavutetaan (Carlier, 1980):
missä, (P on kostutettu kehä):
jos korvaamme kostuneen kehän ”P, poikkileikkauksen virtausalueen A” ja niiden derivaatat ekv. 17, saamme seuraavat:
jos yhdistämme Eq. 7 ja 20, sitten ekv. 1 tulee:
eQ: sta. 21, märkä kehä voidaan kirjoittaa uusiksi seuraavasti:
yhdistämällä Eq. 6 ja 22 saamme seuraavat:
yhtälö 23 voidaan myös kirjoittaa uudelleen seuraavasti:
Eq: n käyttö. 24 laskea halkaisija, sillä virtaus maksimi on yksinkertainen ja suora, kun karheus n ja kaltevuus S ovat tiedossa.
jos Rinne S ei ole tiedossa, Eq. 25 antaa eksplisiittisen ratkaisun, jos virtaus Q, karheus n ja halkaisija D tunnetaan.
virtausnopeuden raja-arvot: yhdistämällä Eq. 2, 7 ja 20 saamme:
jos korvaamme wetted kehä lauseke annetaan Eq. 22, Eq. 26, saamme seuraavat:
yhdistelmä taajuuskorjain. 24 ja 27 tuottaa:
eQ: sta. 27, poikkipinta-ala A voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:
kutsumme RR ” vastusnopeus, joka voidaan laskea käyttäen Eq. 27 tai 28 virtausnopeuden enimmäis-ja vähimmäisarvojen osalta. Yhtälöitä 27 ja 28 sovelletaan ainoastaan taulukoissa 2 ja 3 annettuihin arvoihin, joissa virtausnopeus vaihtelee välillä 0,5 m sec-1≤V≤ 5 m sec-1 (Satin and Selmi, 2006). Käytännössä putkien halkaisijat vaihtelevat yleensä välillä: 10 mm≤d≤ 2100 mm.
taulukossa 2 ja 3 esitetään Eq: n ratkaisut. 27 ja 28. Vertaamalla taulukoiden 2 ja 3 virtausnopeuksia voimme päätellä, että vastusnopeus RR vaikuttaa merkittävästi näihin arvoihin. Jos läpimitta vaihtelee välillä 10 mm≤D≤ 250 mm, RR: n vähimmäisarvo ei saa olla pienempi kuin 0,4. Näin saadaan virtaaman vaihtelu seuraavan relaation antamassa vaihteluvälissä:
| Taulukko 2: | virtausnopeuden raja-arvot halkaisijan ja virtauksen funktiona, kun rr: n vähimmäisarvo on 0,4 ja 10 mm≤D≤ 250 mm |
| Taulukko 3: | virtausnopeuden raja-arvot halkaisijan ja virtauksen funktiona, kun enimmäisarvo RR =1 ja 10 mm≤D≤ 250 mm |
sama halkaisijan alue hyväksyy toisen rajan maksimivirtausarvoksi RR =1. Näin saadaan seuraavat virtausarvot:
| Taulukko 4: | virtausnopeuden raja-arvot halkaisijan ja virtauksen funktiona MINIMIRR (min) = 1,05, 315 mm≤d≤ 2100 mm |
jos laajennamme vaihteluväli halkaisija: 315 mm≤d≤ 2100 mm pitäessämme yllä esitettyä virtausnopeuden tilaa saamme seuraavat tulokset taulukoissa 4 ja 5. Jälkimmäisessä esitetään virtausarvojen vaihtelu halkaisijan ja RR: n raja-arvojen funktiona. Voimme tiivistää vaihtelua virtauksen mukaan vaihtelua RR seuraavasti:
| • | kun pienin arvo RR = 1,05, virtaus vaihtelee taulukon 4 tulosten mukaan seuraavasti: |
kun RR: n enimmäisarvo on 4.64, virtaus vaihtelee taulukon 5 tulosten mukaan seuraavasti:
muita tuloksia voidaan helposti saada käyttämällä RR: n eri arvoja hyväksytyissä rajoissa.
suurin kiertotehokkuus: tässä jaksossa putken hyötysuhde käsitellään virtauskierron perusteella. Tarkastelemme kiertotehokkuuden vaihtelua eri tasoilta. Sitten esittelemme, miten saadaan mahdollisimman suuri hyödyntäminen putken.
Enimmäisvirtausnopeuden tila: Virtaus olosuhteissa maksimivirtausnopeus on tärkeä viemäriverkoston salaojitus. Tällaisissa virtaustiloissa on välttämätöntä tarkistaa seuraava ehto (Carlier, 1980):
jossa:
| P | : | kostutettu kehä (m) |
| A | : | poikkipinta – ala (m2) |
| Taulukko 5: | virtausnopeuden raja-arvot halkaisijan ja virtauksen funktiona suurimmalla RR: llä (max) = 4,64. 315 mm≤d≤2100 mm |
yhdistelmä taajuuskorjain. 18, 19 ja 30 on antanut seuraavan tuomion:
yhtälö 31 voidaan ratkaista iteratiivisesti. Bisektiomenetelmän käyttö (Andre, 1995) antaa seuraavat tulokset (jossa absoluuttinen virhe on yhtä suuri kuin 10-6): θ = 257, 584:
eQ: sta. 6, 10 ja 32 ja monien yksinkertaistusten jälkeen saadaan seuraava yhtälö:
siksi Eq. 10 voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:
| Taulukko 6: | suositellut virtausnopeuden rajat halkaisijan ja virtauksen funktiona: RR (min) = 0,5 ja 10 mm≤d≤2100 mm |
yhtälö 33 tunnetulle virtaukselle Q, karheudelle n ja kaltevuudelle S, antaa nimenomaisen ratkaisun halkaisijalle. Kaltevuus S voidaan laskea myös suoraan Eq: lla. 35 jos virtaus Q, karheus n ja halkaisija D ovat tunnettuja parametreja:
eQ: n mukaan. 34, on helppo päätellä, että virtausnopeus on yhtä suuri kuin suhde neliöjuuri, kaltevuus ja karheus seuraavasti:
eQ: sta. 36 ja ensisilmäyksellä voimme päätellä, että virtausnopeus riippuu vain kaltevuudesta ja karheudesta. Tämä pitää paikkansa tässä tapauksessa. Tämän johtopäätöksen on kuitenkin liityttävä toiseen todellisuuteen, että tämä kaava on ehdollistettu putken täyteysasteella, joka tarkoittaa Eq: ssa käytettyä halkaisijaa. 36 olisi laskettava käyttäen Eq. Ensinnäkin 33.
Suositusrajat: Ehdotettuun malliin virtauksesta enimmäisnopeuden olosuhteissa sovelletaan virtausnopeuden rajoja, jotka tuottavat peräkkäiset rajat muille parametreille: virtaukselle, kaltevuudelle ja putken karheudelle taulukossa 6 esitetyllä arvoalueella ja 7:
| Taulukko 7: | suositellut virtausnopeuden rajat halkaisijan ja virtauksen funktiona: RR (max) = 5 ja 10 mm≤d≤2100 mm |
taulukoissa 6 ja 7 esitetyistä parametriarvoista voimme helposti päätellä, että vastusnopeus RR on tärkeä parametri, jossa se voi mahdollistaa laajenemisen tai voimassaoloalueen kaventumisen. Maksiminopeuden osalta sovellettavuusyhtälöt voidaan esittää seuraavasti:
| • | CFor pienin arvo RR = 0,5 ja halkaisijat alue 10 mm≤d≤ 2100 mm, virtaus vaihtelee seuraavasti: |
| • | jos RR = 5 ja 10 mm ≤d≤ 2100 mm, virtaus vaihtelee seuraavasti: |
Edellä esitetystä ja samalla tavalla kuin virtauksen ollessa suurin nopeus tai maksimivirtaus, on välttämätöntä noudattaa vastusnopeuden RR vaihtelua, joka antaa jälkeenpäin hyväksyttäviä arvoja virtausnopeudelle ja ei ole tarpeen haluttu virtaus, koska jokainen RR-alue tuottaa eri virtausalueen. Virtausarvojen vaihteluväli annetaan seuraavasti:
| • | virtausmaksin tapaus: |
tai:
| • | tapauksessa nopeus max: |
tarkastelkaamme käytännön kenttäskenaarioita seuraavien kahden esimerkin kautta.
Esimerkki 1: putki, jonka miehityskerroin n = 0,013, kaltevuus s = 0,02%, kuljetus virtaama 1,05 m3 sec-1. Laske putken halkaisija maksimaalisen volumetrisen tehokkuuden saavuttamiseksi.
liuos: Ensin meidän on tarkistettava, jos arvo vastus RR kunnioitetaan, jotta voimme käyttää mallia:
vastusnopeus kuuluu sallittuun alueeseen. Taulukosta 3 ja 4 voimme päätellä, että halkaisija vaihtelee seuraavasti:
Virtausalueen tarkistaminen: alkaen Eq. 24 on helppo laskea QD = 315 mm ja QD = 2100 mm.
Q kuuluu sallittuun alueeseen.
Ekv. 24 halkaisija lasketaan seuraavasti:
virtausnopeuden tarkistaminen: Eq: sta. 27 saamme seuraavat:
virtausnopeuden arvo on hyväksyttävä, sama halkaisija, joka tuottaa muiden parametrien kanssa maksimivirtauksen (joka vastasi täyteläisyysastetta Qmax).
Esimerkki 2: käytetään samoja tietoja edellisen esimerkin osalta uuden halkaisijan laskemiseen, jos putken virtauskierto on mahdollisimman tehokas.
liuos: sallitun RR-alueen tarkistaminen:
siksi halkaisija vaihtelee seuraavasti:
virtausalueen tarkistaminen: Ekv. 33 voidaan laskea QD = 10 mm ja QD = 2100 mm.
näin ollen virtaus on sallitulla alueella.
putken halkaisijan laskeminen Eq: sta. 33 putken halkaisija vastaa:
edellä, putken halkaisija D on tunnettu parametri, virtausnopeus riippuu vain kaltevuus S ja karheus n ja taajuuskorjain. 36 saamme seuraavat:
virtausnopeus on hyväksyttävällä alueella.
johtopäätös
ehdotetaan uutta käsitystä kiertoputken osittain täysvirran suunnittelusta käyttäen uutta tilavuuden ja kiertotehokkuuden käsitettä. Huomioon otetaan kaksi virtaustyyppiä: virtaus maksimivirtauksen olosuhteissa ja virtaus maksiminopeudella. Nämä ovat tärkeitä kriteerejä jätevesien evakuoinnille. Molemmissa tapauksissa on kehitetty suoria ja helppoja ratkaisuja putken halkaisijan, virtausnopeuden ja kaltevuuden laskemiseksi. Ensimmäisessä halkaisija ja kaltevuus voidaan laskea taajuuskorjain. 24 ja 25. Toisen tapauksen Eq. Suositellaan 33 ja 35. Kussakin tapauksessa virtausnopeuden laskeminen on mahdollista.
ratkaisualueen rajoittamisesta on keskusteltu myös. Ehdotetut yhtälöt on laadittu, jotta saavutetaan korkea hyötysuhde virtauksen ympyräputkissa samalla täyttävät tekniset vaatimukset.
tunnustus
kirjoittajat haluavat kiittää Prof Jean – Loup Robertia, Laval University, Kanada tuesta ja teknisistä neuvoista.
notaatio
| K | : | virtaama (m3 sekuntia)-1 |
| Rh | : | hydraulinen säde |
| ei | : | putken karheuskerroin (miehitys n) |
| A | : | poikkipinta-ala |
| lä | : | putken pohjan kaltevuus, dimensioton |
| V | : | virtausnopeus m sek-1 |
| lä | : | putken säde: R = D/2 |
| D | : | putken halkaisija |
| P | : | kostutettu kehä |
| θ | : | veden pintakulma |
| Qef | : | volumetrinen tehokkuus |
| Qmax | : | Flow max |
| qr | : | Flow in pipe |
| Vef | : | Kiertotehokkuus |
| Vmax | : | nopeus max |
| Amax | : | nopeus putkessa |
| Amax | : | poikkipinta-ala vastaa Qmax-arvoa |
| Qp | : | Flow koko osassa |
| qshortcut | : | veden pinnan kulma vastaa Qmax |
| RR | : | Resistenssinopeus |