bevezetés
csatornázás lehet meghatározni, mint a szennyvízelvezetés gyorsan és távol lakott területek és üzleti negyedek nélkül stagnálás csövek. A szennyvízelvezető rendszerek legjobb tervezése a működésüket befolyásoló paraméterek tanulmányozásával kezdődik, beleértve a műszaki, környezetvédelmi és gazdasági paramétereket is (McGhee and Steel, 1991).
a gyűjtőrendszerben az áramlást általában egyenletesnek és állandónak tekintik. Ezt a fajta áramlást számos kutató alaposan megvizsgálta, ahol számos megközelítést javasoltak, beleértve a grafikus módszereket (Camp, 1946; Chow, 1959; Swarna and Modak, 1990), a félgrafikus megoldásokat (Zeghadnia et al., 2009) és nomogramok (McGhee and Steel, 1991) vagy táblázatok (Chow, 1959). Az ilyen megközelítéseket azonban általában korlátozottnak tekintik, és többségük csak korlátozott feltételek mellett alkalmazható. A gyakorlatban általában a numerikus megoldásokat részesítik előnyben, de ezeket nehéz alkalmazni, és viszonylag hosszadalmas próba-és hibaelhárítási eljárásokon kell keresztülmenni.
számos kutató megkísérelt explicit egyenleteket javasolni a normál mélység kiszámításához (Barr and Das, 1986; Saatci, 1990; Swamee and Rathie, 2004; Achour and Bedjaoui, 2006). Más szerzők szívesebben szimulálják a nyomás alatti áramlást szabad felületi áramlásként a Preissmann Slot módszerrel, ezért modellezhetik az átmenetet a szabad felületi áramlásról a pótdíjas állapotba és fordítva (Cunge et al., 1980; Garcia-Navarro et al., 1994; Capart et al., 1997; Ji, 1998; Trajkovic et al., 1999; Ferreri et al., 2010).
az ezen a területen végzett kutatások többsége erősen az áramlási paraméterek meghatározására összpontosít, anélkül, hogy megvizsgálná a cső belsejében lévő áramlás teljesítményét. A hatékony cső fogalmát korábban nem tárgyalták kifejezetten. A szerzők úgy vélik, hogy ez az első alkalom, hogy ezt az ötletet a csövek közvetlen kiszámításánál használják, ami mind a kutatók, mind a tervezők érdeklődését felkeltheti. Az áramlás hatékonysága, ezért a cső hatékonysága mérhető jellemzőként kerül bevezetésre. Ennek megfelelően a cső a vízfelület maximális kihasználásával áramlik, azaz., teljes mértékben kihasználja a felületét, miközben tiszteletben tartja a műszaki követelményeket, különösen a sebesség szempontjából.
ebben a tanulmányban néhány fontos műszaki szempontot fogunk megvilágítani a részben töltött csövek hidraulikus és geometriai paramétereinek meghatározásával kapcsolatban. Az elemzés explicit megoldások alkalmazásával más paramétereket is figyelembe vesz, mint például a lejtés, átmérő, sebesség és csőáramlás hatékonysága. A javasolt megoldások korlátait is megvitatják.
MANNING egyenlet
kör alakú csövek széles körben használják az egészségügyi szennyvíz és csapadékvíz gyűjtő rendszerek. A csatornahálózatok tervezése általában a Manning modell (Manning, 1891), ahol az áramlási szakasz többnyire részben meg van töltve. A manning-képletet gyakran használják a gyakorlatban, és feltételezik, hogy a legjobb eredményeket hozza, ha megfelelően alkalmazzák (Saatci, 1990; Zeghadnia et al., 2014A, b). A Manning modell használata feltételezi, hogy az áramlás egyenletes és egyenletes, ahol a lejtés, a keresztmetszeti áramlási terület és a sebesség nem függ az időtől, és állandó a vizsgált cső hosszában (Carlier, 1980). A szabad felületi áramlás modellezésére használt Manning-képlet (Manning, 1891) a következőképpen írható:
vagy
ahol:
az 1. és 2. egyenlet a vízfelszín szögének függvényeként írható az ábrán látható módon. 1 az alábbiak szerint:
ábra. 1:
| Fig. 1: | vízfelszín szög |
ahol:
| D | : | cső átmérője (m) |
| r | : | cső sugara: |
| P | : | Nedvesített kerület (m) |
| θ | : | Víz felszínén szög (Radián) |
Egyenlet 3 4 az ismert értékek a vízhozam Q, érdesség n, lejtőn, S átmérő D meg lehet oldani, csak miután egy sor hosszú ismétlések (Giroud et al., 2000). A 4. egyenlet helyettesíthető az Eq – val. 8 (Zeghadnia et al., 2009):
ahol:
ezért:
az 5. és 7. egyenlet az alábbi új formákat ölti:
módszertan
térfogati vagy cirkulációs hatékonyság becslése: a számítás egyszerűsítése érdekében a csőátmérő kiszámítását gyakran azzal a feltételezéssel végezzük, hogy a cső csak tele van (légköri nyomás alatt). Az áramlás vagy az áramlási sebesség maximális értékei lehetnek, amelyek megfelelnek a cső bizonyos vízszintjének (Camp, 1946). E szint alatt vagy felett csökken az áramlás vagy a sebességértékek, ami azt jelenti, hogy a cső nem a maximális hatékonysággal áramlik. Az egészségügyi szennyvíz – és csapadékvíz-gyűjtő rendszerek legjobb hidraulikus kialakításához nem elegendő meghatározni azt az átmérőt, amely elfogadható áramlási sebességet eredményez, hanem meg kell határozni a legjobb átmérőt is, amely lehetővé teszi a nagyobb hatékonyságot és biztosítja a cső teljes kihasználását. A cső térfogati hatékonyságának becsléséhez javasoljuk az áramló egyenletet:
ahol:
| Qef | : | volumetrikus hatékonyság (%) |
| Qmax | : | maximális áramlás (m3 sec-1) |
| qr | : | áramlás csőben (m3 sec-1) |
a csőben a cirkulációs hatékonyság kiszámításához javasoljuk az áramló képletet:
ahol:
| Vef | : | cirkulációs hatékonyság (%) |
| Vmax | : | maximális sebesség (m2 sec-1) |
| Vr | : | sebesség csőben (m2 sec-1) |
| Fig. 2: | térfogati és cirkulációs hatékonyság kör alakú csőben |
a térfogati és cirkulációs hatékonyság jobban magyarázható az ábrán látható grafikus ábrázolással. 2.
a 2.ábra azt mutatja, hogy a térfogati vagy cirkulációs hatékonyság a cső töltöttségi szintjétől függ, és nem azonos módon változik.
0-40-40-nél a térfogati hatásfok gyakorlatilag nulla, míg 40-180-nál kevesebb, mint 50%. Ha a hatékonyság = 185, akkor a hatékonyság 50%, és eléri a maximális értékét, a QEF 100% – ot, amikor a hatékonyság = 308. 308 660 660 esetén a volumetrikus hatásfok csökken, hogy elérje a 93,09% – os értéket.
másrészt a cirkulációs hatékonyság változása gyorsabb, mint a térfogati hatékonyság. 0-40-40 esetén a keringés hatékonysága elérheti a 20% – ot, 40-180-85% – ot. A cirkulációs hatásfok eléri a maximális értékét, 100% – os VEF-et, a (Z) = 257. 257 660 660 esetén a keringés hatékonysága csökken, hogy elérje a 87,74% – os értéket. Az 1.táblázat további részleteket mutat be mindkét hatékonyság variációjáról, mint a kontinensek függvényeiről.
| 1. táblázat: | térfogati és cirkulációs hatékonyság a vízfelület szögének függvényében |
Az Eq használata. 12 és 13, azt találjuk, hogy Qef = 58,59 és Vef = 67,68%. Ezért ez a cső nem elég hatékony mind a térfogat, mind a keringés szempontjából. Ebben a példában, bár a sebesség technikailag elfogadható, ez a cső nem folyik hatékonyan. Ezért jobb megoldást kell találnunk a cső magas hatékonyságának biztosítására, amelyet a következő szakaszokban tárgyalunk.
eredmények és vita
maximális térfogathatékonyság: a hatékonyságot a következő bekezdések tárgyalják a cső térfogat-kihasználtsága szempontjából. Minél magasabb az utóbbi, annál hatékonyabb a cső.
maximális áramlási állapot: Amikor az a keresztmetszeti áramlási terület növekszik, akkor eléri maximális értékét Amax maximális térfogathatékonysággal a következő helyen: 608,3236 (Zeghadnia et al., 2009). Az Eq-Tól. 3:
a teljes áramlású cső esetében a Q ” áramlást a következőképpen fejezzük ki:
amikor kombináljuk az Eq-t. 14 és 15 a következőket kapjuk:
A 16. egyenlet a töltött cső áramának és a maximális áramnak a kapcsolatát mutatja be, amely bármely szakasz esetében csak akkor lehetséges, ha a következő feltétel teljesül (Carlier, 1980):
hol, (P a nedvesített kerület):
ha helyettesítjük a nedvesített kerülete “P, keresztmetszeti áramlási terület A” és származékaik Eq. 17, megkapjuk a következőket:
ha kombináljuk az Eq-t. 7 és 20, majd Eq. 1 válik:
Az Eq-tól. 21, a nedvesített kerület a következőképpen írható át:
az Eq kombinálásával. 6 és 22 a következőket kapjuk:
a 23. egyenlet a következőképpen is átírható:
Az Eq használata. 24 az átmérő kiszámításához az áramlási maximum egyszerű és közvetlen, ha az n érdesség és az S meredekség ismert.
abban az esetben, ha az S meredekség ismeretlen, Eq. A 25. ábra explicit megoldást ad, ha a Q áramlás, az n érdesség és a D átmérő ismert.
áramlási sebességhatárok: az Eq kombinálásával. 2, 7 és 20 megkapjuk:
ha helyettesítjük az EQ-ban megadott nedvesített kerület kifejezést. 22, Az Eq. 26, megkapjuk a következőket:
az EQ kombinációja. 24 és 27 termék:
Az Eq-tól. 27, az a keresztmetszeti terület a következőképpen írható át:
RR – nek nevezzük azt az ellenállási sebességet, amelyet az Eq segítségével lehet kiszámítani. 27 vagy 28 Az áramlási sebesség maximális, illetve minimális értékeire. A 27. és a 28. egyenlet csak a 2.és 3. táblázatban megadott értéktartományra vonatkozik, amelyben az áramlási sebesség 0,5 m sec-1 6 m sec-1 között változik (Satin and Selmi, 2006). A gyakorlatban a csőátmérők általában a következők között mozognak: 10 mm / d / 2100 mm.
Az Eq-ra vonatkozó megoldásokat a 2.és 3. táblázat mutatja be. 27 és 28. A 2.és 3. táblázatban szereplő áramlási sebességek összehasonlításával arra a következtetésre juthatunk, hogy az RR ellenállási sebesség figyelemre méltóan befolyásolja ezeket az értékeket. A 10 mm / D / 250 mm közötti átmérők esetében az RR minimális értéke nem lehet kisebb, mint 0,4. Ez az áramlás változását eredményezi a következő kapcsolat által megadott tartományban:
| 2. táblázat: | az áramlási sebesség határértékei az átmérő és az áramlás függvényében az RR = 0,4 és 10 mm-es minimumértékre vonatkozóan, D 250 mm |
| 3. táblázat: | az áramlási sebesség határértékei az átmérő és az áramlás függvényében az RR =1 és 10 mm-es maximális értékekre vonatkozóan 650 mm |
ugyanaz az átmérőtartomány egy másik határt fogad el maximális áramlási értékként RR =1. Ez a következő áramlási értéktartományt generálja:
| 4. táblázat: | az áramlási sebesség határértékei az átmérő és az áramlás függvényében, minimum RR(min) = 1,05, 315 mm 6100 mm |
ha kibővítjük az átmérő variációjának tartományát: 315 mm .. d .. 2100 mm az áramlási sebesség fent jelzett állapotának fenntartása mellett a 4.és 5. táblázatban megadott következő eredményeket kapjuk. Ez utóbbi az áramlási értékek változását mutatja be az RR átmérőjének és határértékeinek függvényében. Összefoglalhatjuk az áramlás változását az RR változása szerint az alábbiak szerint:
| • | az RR = 1,05 minimális értéknél az áramlás a 4. táblázat eredményei szerint változik: |
az RR = 4 maximális értékére.64, az áramlás változik, az 5. táblázat szerint az alábbiak szerint:
más eredmények könnyen elérhetők az RR különböző értékeinek felhasználásával az elfogadott határértékeken belül.
maximális cirkulációs hatékonyság: ebben a szakaszban a cső hatékonyságát az áramlás keringése alapján kezelik. Megvizsgáljuk a keringés hatékonyságának variációját különböző szinteken. Ezután bemutatjuk, hogyan lehet a cső maximális kihasználását elérni.
a legnagyobb áramlási sebesség feltétele: Az áramlás a maximális áramlási sebesség mellett fontos a szennyvízhálózat elvezetésében. Az ilyen típusú áramlási állapotban feltétlenül ellenőrizni kell a következő feltételt (Carlier, 1980):
ahol:
| P | : | nedvesített kerület (m) |
| A | : | keresztmetszeti áramlási terület (m2) |
| 5. táblázat: | az áramlási sebesség határértékei az átmérő és az áramlás függvényében a maximális RR (max) = 4,64 értéknél. 315 mm 6100 mm |
az EQ kombinációja. A 18, 19 és 30 a következőket adja:
A 31. egyenlet iteratív módon oldható meg. A felezési módszer használata (Andre, 1995) a következő eredményeket adja (ahol az abszolút hiba 10-6):= 257, 584:
Az Eq-tól. 6, 10 és 32 és sok egyszerűsítés után a következő egyenletet kapjuk:
ezért Eq. 10 a következőképpen írható át:
| 6. táblázat: | az áramlási sebesség ajánlott határértékei az átmérő és az áramlás függvényében: RR (min) = 0,5 és 10 mm / év d / év / 2100 mm |
az ismert Q áramlásra, az n érdességre és az S meredekségre vonatkozó 33. egyenlet explicit megoldást ad az átmérőre. Az S meredekség közvetlenül az Eq segítségével is kiszámítható. 35 Ha a Q áramlás, az n érdesség és a D átmérő ismert paraméterek:
Az Eq szerint. 34, könnyen levezethető, hogy az áramlási sebesség megegyezik a meredekség és az érdesség négyzetgyökének arányával, az alábbiak szerint:
Az Eq-tól. 36 és első pillantásra azt a következtetést vonhatjuk le, hogy az áramlási sebesség csak a meredekségtől és az érdességtől függ. Ez ebben az esetben igaz. Ennek a következtetésnek azonban egy másik valósághoz kell kapcsolódnia, hogy ezt a képletet a cső teljességi foka határozza meg, ami az EQ-ban használt átmérőt jelenti. 36 Az Eq segítségével kell kiszámítani. 33 először is.
ajánlott határértékek: A maximális sebesség mellett javasolt áramlási modellt az áramlási sebesség határértékei szabályozzák, amelyek a többi paraméter egymás utáni határértékeit eredményezik: áramlás, lejtés és cső érdessége a 6. táblázatban bemutatott értéktartományban és 7:
| 7. táblázat: | az áramlási sebesség ajánlott határértékei az átmérő és az áramlás függvényében: RR (max.) = 5 és 10 mm / d / 2100 mm |
a 6.és 7. táblázatban bemutatott paraméterértékekből könnyen arra következtethetünk, hogy az RR ellenállási sebesség fontos paraméter, ahol lehetővé teszi az érvényességi tartomány kibővítését vagy szűkítését. Maximális sebesség esetén az alkalmazhatósági egyenletek a következőképpen mutathatók be:
| • | Caz RR = 0,5 minimális értéknél és a 10 mm-es átmérőtartományban, d 2100 mm-nél az áramlás az alábbiak szerint változik: |
| • | ha RR = 5 és 10 mm 6100 mm, akkor az áramlás az alábbiak szerint változik: |
a fentiekből és a maximális sebesség vagy a maximális áramlás feltételeihez hasonló módon feltétlenül tiszteletben kell tartani az RR ellenállási sebesség változását, amely később elfogadható értékeket ad az áramlási sebességre, és nem szükséges a kívánt áramlásra, mivel az RR minden tartománya eltérő áramlási tartományt generál. Az áramlási értékek tartománya a következő:
| • | a flow Max esete: |
vagy:
| • | a sebesség Max esete: |
vegyünk gyakorlati terepi forgatókönyveket a következő két példán keresztül.
1. példa: n = 0,013 manning együtthatóval rendelkező cső, s meredekség = 0,02%, 1,05 m3 sec-1 áramlást szállít. Számítsa ki a cső átmérőjét a maximális térfogati hatékonyság érdekében.
megoldás: Először ellenőriznünk kell, hogy betartják-e az RR ellenállási sebesség értékét, hogy használhassuk a modellt:
az ellenállási sebesség a megengedett tartományba tartozik. A 3. és 4. táblázatból arra következtethetünk, hogy az átmérő a következőképpen változik:
az áramlási tartomány ellenőrzése: Eq – tól. 24 könnyen kiszámítható QD = 315 mm és QD = 2100 mm.
Q A megengedett tartományba tartozik.
Az Eq-Tól. 24 az átmérőt a következőképpen számítjuk ki:
az áramlási sebesség ellenőrzése: Eq – tól. 27 a következőket kapjuk:
az áramlási sebesség értéke elfogadható, ugyanaz az átmérő esetében, amely a többi paraméterrel együtt a maximális áramlást eredményezi (amely megfelel a Qmax teljességi fokának).
2. példa: használjuk ugyanazokat az adatokat az előző példában az új átmérő kiszámításához a csőben történő áramlási keringés maximális hatékonysága esetén.
megoldás: a megengedett RR tartomány ellenőrzése:
ezért az átmérő a következőképpen változik:
az áramlási tartomány ellenőrzése: Eq. 33 lehetővé teszi a QD = 10 mm és QD = 2100 mm számítását.
ezért az áramlás a megengedett tartományon belül van.
a cső átmérőjének kiszámítása Az Eq – tól. 33 a cső átmérője egyenlő:
a fentiekből A D csőátmérő ismert paraméter, az áramlási sebesség csak az S meredekségtől és az n érdességtől, valamint az Eq-tól függ. 36 a következőket kapjuk:
az áramlási sebesség az elfogadható tartományon belül van.
következtetés
a körkörös cső részlegesen teljes áramlásának új koncepcióját javasolják a térfogat-és cirkulációs hatékonyság új koncepciójának felhasználásával. Kétféle áramlást veszünk figyelembe:áramlás maximális áramlás mellett, illetve áramlás maximális sebesség mellett. Ezek a szennyvízelvezetés fontos kritériumai. Mindkét esetben közvetlen és egyszerű megoldásokat dolgoztak ki a csőátmérő, az áramlási sebesség és a lejtés kiszámítására. Az elsőben az átmérő és a meredekség Eq-val számítható ki. 24 és 25. A második esetben Eq. 33 és 35 ajánlott. Minden esetben lehetséges az áramlási sebesség kiszámítása.
a megoldástartomány korlátozásáról is szó esett. A javasolt egyenleteket úgy dolgozzák ki, hogy a kör alakú csövekben nagy áramlási hatékonyságot érjenek el, miközben megfelelnek a műszaki követelményeknek.
köszönetnyilvánítás
az írók szeretnék megköszönni Jean – Loup Robert professzornak, Laval Egyetem, Kanada támogatását és technikai tanácsait.
jelölés
| Q | : | áramlási sebesség m3 másodpercben-1 |
| Rh | : | hidraulikus sugár |
| n | : | cső érdességi együttható (Manning n) |
| A | : | keresztmetszeti áramlási terület |
| sz | : | a cső aljának lejtése, méret nélküli |
| V | : | áramlási sebesség m sec-1 |
| r | : | cső sugara, nézzük: r = D/2 |
| D | : | cső átmérője |
| P | : | Nedvesített kerület |
| θ | : | Víz felszínén szög |
| Qef | : | Volumetrikus hatásfok |
| Qmax | : | Flow-max |
| qr – | : | Áramlási cső |
| Vef | : | Keringés hatékonyságát |
| Vmax | : | Sebesség max |
| Amax | : | Sebesség cső |
| Amax | : | keresztmetszeti terület megfelel Qmax |
| Qp | : | áramlás teljes szakaszban |
| főmenü | : | a vízfelület szöge megfelel a Qmax-nak |
| RR | : | ellenállás aránya |