INNLEDNING
Avløp kan defineres som evakuering av avløpsvann raskt og langt borte fra bebyggede områder og forretningsområder uten stagnasjon i rør. Den beste utformingen av kloakkevakueringssystemer starter ved å studere parametrene som påvirker deres operasjoner, inkludert tekniske, miljømessige og økonomiske (McGhee and Steel, 1991).
strømmen i oppsamlingssystemet betraktes vanligvis som jevn og jevn. Denne typen flyt har blitt undersøkt grundig av flere forskere, hvor en rekke tilnærminger har blitt foreslått, inkludert grafiske metoder (Camp, 1946; Chow, 1959; Swarna Og Modak, 1990), semi-grafiske løsninger (Zeghadnia et al., 2009) og nomogrammer (McGhee Og Steel, 1991) eller tabeller (Chow, 1959). Imidlertid er slike tilnærminger vanligvis betraktet som begrensede, og de fleste av dem gjelder kun for begrensede forhold. Numeriske løsninger er vanligvis foretrukket i praksis, men disse er vanskelige å bruke og må gå gjennom relativt lange prøving og feil prosedyrer.
En rekke forskere har forsøkt å foreslå eksplisitte ligninger for beregning av normal dybde (Barr Og Das, 1986; Saatci, 1990; Swamee og Rathie, 2004; Achour Og Bedjaoui, 2006). Andre forfattere foretrekker å simulere trykkstrøm som fri overflatestrøm ved Hjelp Av Preissmann Slot-Metoden, derfor kan de modellere overgangen fra fri overflatestrøm til tilleggsstatus og omvendt (Cunge et al., 1980; Garcia-Navarro et al., 1994; Capart et al., 1997; Ji, 1998; Trajkovic et al., 1999; Ferreri et al., 2010).
flertallet av forskningen på dette området er sterkt fokusert på bestemmelse av strømningsparametere, uten å se på ytelsen til strømmen inne i røret. Begrepet effektiv pipe har ikke tidligere blitt eksplisitt diskutert. Forfatterne mener at dette er første gang denne ideen har blitt brukt i direkte beregning av rør som bør trekke interessen til forskere og designere. Effektiviteten av strømmen, derfor er effektiviteten av røret innført som en målbar egenskap. Følgelig vil røret strømme med maksimal bruk av vannoverflaten, dvs., fullt utnytte sitt areal samtidig respektere de tekniske kravene, spesielt i form av hastighet.
i denne studien vil vi kaste lys over visse viktige tekniske hensyn angående bestemmelse av hydrauliske og geometriske parametere for delvis fylte rør. Analysen tar hensyn til andre parametere som helling, diameter, hastighet og rørstrømningseffektivitet ved bruk av eksplisitte løsninger. Også begrensningene i de foreslåtte løsningene vil bli diskutert.
BEMANNING LIGNINGEN
Sirkulære rør er mye brukt for sanitær kloakk og storm vann samling systemer. Utformingen av kloakknett er generelt basert På Manning-modellen (Manning, 1891), hvor strømningsdelen for det meste er delvis fylt. Bemanningsformelen brukes ofte i praksis og antas å gi de beste resultatene når de brukes riktig (Saatci, 1990; Zeghadnia et al., 2014a, b). Bruken av Bemanningsmodellen forutsetter at strømmen er jevn og jevn, hvor helling, tverrsnittsstrømningsområde og hastighet ikke er relatert til tid og er konstant langs lengden av røret som analyseres (Carlier, 1980). Manning-formelen (Manning, 1891) som brukes til å modellere fri overflatestrøm, kan skrives som følger:
eller
Hvor:
Ligning 1 og 2 kan skrives som funksjoner av vannoverflatevinkel vist I Fig. 1 som følger:
Fra Fig. 1:
| Fig. 1: | vannoverflatevinkel |
Hvor:
| D | : | Rørdiameter (m) |
| r | : | Rør radius: |
| P | : | Fuktede omkrets (m) |
| θ | : | vannoverflaten vinkel (Radian) |
Ligning 3 og 4 for kjente verdier av mengde Q, ruhet n, fall S og diameter D kan løses bare etter en rekke lange iterasjoner (Giroud et al., 2000). Ligning 4 kan erstattes Med Eq. 8 (Zeghadnia et al., 2009):
Hvor:
Derfor:
Ligning 5 og 7 tar de nye skjemaene som følger:
METODIKK
Estimering av volumetrisk eller sirkulasjonseffektivitet: for å forenkle beregningen gjøres beregningen av rørdiameter ofte med antagelsen om at røret flyter bare fullt (under atmosfærisk trykk). Enten strømning eller strømningshastighet kan ha maksimale verdier som tilsvarer visse vannstand i røret (Camp, 1946). Under eller over dette nivået reduseres strømmen eller hastighetsverdiene, noe som betyr at røret ikke strømmer med maksimal effektivitet. For best hydraulisk utforming av sanitæravløp og overvannsoppsamlingssystemer er det ikke nok å bestemme diameteren som gir en akseptabel strømningshastighet, men det er også nødvendig å bestemme den beste diameteren som gir høyere effektivitet og sikre at røret utnyttes fullt ut. For å estimere volumetrisk effektivitet i rør, foreslår vi den flytende ligningen:
Hvor:
| Qef | : | Volumetrisk effektivitet (%) |
| Qmaks | : | Maksimal strømning (m3 sek-1) |
| qr | : | Strømning i rør (m3 sek-1) |
Og for å beregne sirkulasjonseffektiviteten i rør, foreslår vi den flytende formelen:
Hvor:
| Vef | : | Sirkulasjonseffektivitet (%) |
| Vmax | : | Maksimal hastighet (m2 sek-1) |
| Vr | : | Hastighet i rør (m2 sek-1) |
| Fig. 2: | Volumetrisk og sirkulasjonseffektivitet i sirkulært rør |
volumetriske og sirkulasjonseffektivitet kan bedre forklares ved hjelp av grafisk representasjon vist I Fig. 2.
Figur 2 viser at volumetrisk eller sirkulasjonseffektivitet avhenger av fyllingsnivået på røret og de varierer ikke på samme måte.
til 0 ° ≤ θ ≤ 40°er den volumetriske effektiviteten praktisk talt null mens for 40 ° ≤ θ ≤ 180° er den mindre enn 50%. For θ = 185° er effektiviteten lik 50% og den når sin maksimale verdi, Qef ≅100%, ved θ = 308°. For 308 ° ≤ θ ≤ 360°reduseres den volumetriske effektiviteten til en verdi av 93.09%.
på den annen side er variasjonen i sirkulasjonseffektiviteten raskere enn volumeffektiviteten. For 0 ° ≤ θ ≤ 40°effektiviteten i sirkulasjonen kan nå 20% og for 40 ° ≤ θ ≤ 180 ° effektiviteten når 85%. Sirkulasjonseffektiviteten når sin maksimumsverdi, Vef ≅100%, ved θ = 257°. For 257 ° ≤ θ ≤ 360 ° reduseres sirkulasjonseffektiviteten til en verdi av 87.74%. Tabell 1 presenterer flere detaljer om variasjonen av begge effektivitetene som funksjoner av θ.
| Tabell 1: | Volumetrisk og sirkulasjonseffektivitet som funksjon av vannoverflatevinkel |
Bruke Eq. 12 og 13, finner Vi At Qef = 58,59 og Vef = 67,68%. Derfor er dette røret ikke effektivt nok både når det gjelder volum og sirkulasjon. I dette eksemplet, selv om hastigheten er teknisk akseptabel, flyter dette røret ikke effektivt. Derfor må vi finne en bedre løsning for å sikre høy effektivitet av røret som vil bli diskutert i de følgende avsnittene.
RESULTATER og DISKUSJON
Maksimal volumetrisk effektivitet: effektiviteten er omtalt i de følgende avsnittene når det gjelder rørvolum belegg. Jo høyere sistnevnte, desto mer effektivt er røret.
Maksimal strømningstilstand: Når tverrsnittsstrømområde A øker, når den sin maksimale verdi «Amax» med maksimal volumetrisk effektivitet ved θ = 308.3236 (Zeghadnia et al., 2009). Av Eq. 3:
for et rør som strømmer fullt, uttrykkes strømmen Q som følger:
når vi kombinerer Eq. 14 og 15 vi får følgende:
Ligning 16 presenterer forholdet mellom strømmen for fylt rør og maksimal strømning som for en hvilken som helst del bare er mulig hvis følgende betingelse oppnås (Carlier, 1980):
hvor, (P Er den fuktede omkretsen):
hvis vi erstatter fuktet perimeter «P, tverrsnittsstrømningsområde A» og deres derivater i Eq. 17, får vi følgende:
hvis vi kombinerer Eq. 7 og 20, Deretter Eq. 1 blir:
Av Eq. 21, den fuktede omkretsen kan omskrives som følger:
ved å kombinere Eq. 6 og 22 vi får følgende:
Ligning 23 kan også omskrives som følger:
bruk Av Eq. 24 for å beregne diameteren, for flyt maksimum er enkel og direkte når grovheten n og skråningen S er kjent.
I tilfelle hvor skråningen S er ukjent, Eq. 25 gir en eksplisitt løsning, hvis strømmen Q, grovhet n og diameter D er kjent.
Flow hastighet grenser: ved å kombinere Eq. 2, 7 og 20 får vi:
hvis vi erstatter det fuktede perimeteruttrykket gitt i Eq. 22, Til Eq. 26, får vi følgende:
kombinasjonen Mellom Eq. 24 og 27 produserer:
Av Eq. 27, tverrsnittsarealet A kan omskrives som følger:
vi kaller RR motstandshastigheten som kan beregnes ved Hjelp Av Eq. 27 eller 28 for maksimum og minimum verdier av strømningshastigheten, henholdsvis. Ligning 27 og 28 gjelder kun for verdiområdet gitt I Tabell 2 og 3 der strømningshastigheten varierer mellom 0,5 m sek-1≤V≤ 5 m sek-1 (Satin og Selmi, 2006). I praksis varierer rørdiametrene generelt mellom: 10 mm≤d≤ 2100 mm.
Tabell 2 og 3 presenterer løsningene For Ekv. 27 og 28. Ved å sammenligne strømningshastighetene I Tabell 2 og 3 kan vi konkludere med at motstandshastigheten RR påvirker bemerkelsesverdig disse verdiene. For diametre som varierer i området mellom 10 mm≤D≤ 250 mm, bør minimumsverdien AV RR ikke være lavere enn 0,4. Dette gir en variasjon i flyten i området gitt av følgende forhold:
| Tabell 2: | Strømningshastighetsgrenser som funksjon av diameter og strømning for minimumsverdien AV RR = 0,4 og 10 mm≤D≤ 250 mm |
| Tabell 3: | Strømningshastighetsgrenser som funksjon av diameter og strømning for maksimumsverdien AV RR =1 og 10 mm≤d≤ 250 mm |
det samme diameterområdet aksepterer en annen grense som maksimal strømningsverdi FOR RR =1. Dette genererer følgende flytverdiområde:
| Tabell 4: | Strømningshastighetsgrenser som funksjon av diameter og strømning for minimum RR(min) = 1.05, 315 mm≤d≤ 2100 mm |
hvis vi utvider rekkevidden av variasjon i diameter: 315 mm≤d≤ 2100 mm mens vi holder tilstanden for strømningshastighet som angitt ovenfor, får vi følgende resultater gitt i Tabell 4 og 5. Sistnevnte presenterer variasjonen av strømningsverdier som en funksjon av diameteren og grenseverdiene FOR RR. Vi kan oppsummere variasjonen av strømmen i henhold TIL variasjonen AV RR som følger:
| • | for minimumsverdien AV RR = 1,05 varierer strømmen, i Henhold til Tabell 4 resultater som følger: |
for den maksimale verdien AV RR =4.64, strømmen varierer, I Henhold Til Tabell 5 resultater som følger:
Andre resultater kan lett oppnås ved å bruke forskjellige verdier AV RR innenfor sine aksepterte grenser.
Maksimal sirkulasjonseffektivitet: i denne delen behandles rørets effektivitet basert på sirkulasjon av strømning. Vi ser på variasjonen av sirkulasjonseffektiviteten fra forskjellige nivåer. Deretter presenterer vi hvordan du får maksimal utnyttelse av røret.
Tilstand av maksimal Strømningshastighet: Flow under betingelse av maksimal strømningshastighet er en viktig i kloakk nettverk drenering. I disse typer flytforhold er det viktig å sjekke følgende tilstand (Carlier, 1980):
Hvor:
| P | : | Våt omkrets (m) |
| A | : | Tverrsnittsstrømningsområde (m2) |
| Tabell 5: | Strømningshastighetsgrenser som funksjon av diameter og strømning for maksimal RR (maks) = 4,64. 315 mm≤d≤2100 mm |
kombinasjonen Mellom Eq. 18, 19 og 30 gir følgende:
Ligning 31 kan løses iterativt. Bruken Av Biseksjonsmetoden (Andre, 1995) gir følgende resultater (der den absolutte feilen er lik 10-6): θ = 257, 584:
Av Eq. 6, 10 og 32 og etter mange forenklinger får vi følgende ligning:
Derfor Eq. 10 kan omskrives som følger:
| Tabell 6: | Anbefalte grenser for strømningshastighet som funksjon av diameter og strømning for: RR (min) = 0,5 og 10 mm≤d≤2100 mm |
Ligning 33 for kjent flyt Q, ruhet n og helling S, gir eksplisitt løsning for diameteren. Skråningen S kan også beregnes direkte Ved Eq. 35 hvis strømmen Q, grovhet n Og diameter D er kjente parametere:
Ifølge Eq. 34, er det lett å utlede at strømningshastigheten er lik forholdet mellom kvadratroten av skråningen og grovheten som følger:
Av Eq. 36 og ved første øyekast kan vi konkludere med at strømningshastigheten bare avhenger av skråningen og grovheten. Dette er sant i dette tilfellet. Imidlertid må denne konklusjonen være relatert til en annen virkelighet, at denne formelen er betinget av fylhetsgraden i røret som betyr diameteren som brukes I Eq. 36 skal beregnes ved Hjelp Av Eq. 33 først.
Anbefalte grenser: Den foreslåtte modellen for strømning under betingelse av maksimal hastighet styres av strømningshastighetsgrenser som gir en rekke grenser for de andre parametrene: Strømning, helling og røruhet for verdiområdet presentert i Tabell 6 og 7:
| Tabell 7: | Anbefalte grenser for strømningshastighet som funksjon av diameter og strømning for: RR (maks) = 5 og 10 mm≤d≤2100 mm |
fra parameterverdiene vist i Tabell 6 og 7 kan vi lett konkludere med at motstandshastigheten RR er en viktig parameter, der den kan tillate utvidelse eller innsnevring av gyldighetsområdet. I tilfelle av maksimal hastighet kan anvendelseslikningene presenteres som følger:
| • | CFor minimal verdi av RR = 0.5 og for diametre rekkevidde på 10 mm≤d≤ 2100 mm, varierer strømmen som følger: |
| • | hvis RR = 5 og 10 mm ≤D≤ 2100 mm, varierer strømmen som følger: |
fra ovenstående og på samme måte som tilfelle av strømning under betingelse av maksimal hastighet eller maksimal strømning, er det viktig å respektere variasjonen AV motstandshastigheten RR som gir etterpå akseptable verdier for strømningshastighet og ikke nødvendig ønsket strømning, fordi hvert område AV RR genererer forskjellig rekkevidde av strømning. Utvalget av strømningsverdier er gitt som følger:
| • | tilfelle av flow max: |
Eller:
| • | Tilfelle av hastighet maks: |
la oss ta praktiske feltscenarier gjennom følgende to eksempler.
Eksempel 1: et rør med bemanningskoeffisient n = 0,013, helling S = 0,02%, transporterer en strøm på 1,05 m3 sek-1. Beregn rørdiameteren for maksimal volumetrisk effektivitet.
Løsning: Først må vi sjekke om verdien av motstandshastigheten RR respekteres, slik at vi kan bruke modellen:
motstandshastigheten tilhører det tillatte området. Fra Tabell 3 og 4 kan vi konkludere med at diameteren varierer som følger:
Kontrollere strømningsområdet: Fra Eq. 24 DET er enkelt å beregne QD = 315 mm OG QD = 2100 mm.
Q tilhører det tillatte området.
Fra Eq. 24 diameteren beregnes som:
Kontroll av strømningshastigheten: Fra Eq. 27 vi får følgende:
strømningshastighetsverdien er akseptabel, den samme for diameteren som vil produsere, med de andre parametrene, maksimal strømning (som tilsvarer fullhetsgrad Qmax).
Eksempel 2: la oss bruke de samme dataene for forrige eksempel for å beregne den nye diameteren ved maksimal effektivitet av strømningssirkulasjonen i rør.
Løsning: Kontrollerer tillatt rr-område:
derfor varierer diameteren som følger:
Kontrollere for strømningsområdet: Eq. 33 tillater beregning AV QD = 10 mm OG QD = 2100 mm.
derfor er strømmen innenfor det tillatte området.
Beregning av rørdiameteren Fra Eq. 33 rørdiameteren er lik til:
fra ovenstående er rørdiameteren D en kjent parameter, strømningshastigheten avhenger bare Av skråningen S og grovheten n og Fra Eq. 36 vi får følgende:
strømningshastigheten er innenfor det akseptable området.
KONKLUSJON
en ny oppfatning av utformingen av delvis full strømning i sirkulært rør foreslås ved hjelp av det nye konseptet volumetrisk og sirkulasjonseffektivitet. To typer strømning vurderes: Strøm under betingelse av maksimal strømning og strømning under maksimal hastighet henholdsvis. Dette er viktige kriterier for evakuering av avløpsvann. I begge tilfeller er det utarbeidet direkte og enkle løsninger for å beregne rørdiameter, strømningshastighet og helling. I det første kan diameteren og hellingen beregnes Med Eq. 24 og 25. For det andre tilfellet Eq. 33 og 35 anbefales. For hvert tilfelle er beregningen av strømningshastighet mulig.
begrensningen av løsningsområdet har også blitt diskutert. De foreslåtte ligningene utarbeides for å oppnå høy effektivitet av strømning i sirkulære rør mens de oppfyller de tekniske kravene.
ANERKJENNELSE
forfatterne vil gjerne takke Prof Jean – Loup Robert, Laval University, Canada for hans støtte og tekniske råd.
NOTASJON
| Q | : | Strømningshastighet i m3 sek-1 |
| Rh | : | Hydraulisk radius |
| n | : | Rør grovhet koeffisient (Bemanning n) |
| A | : | Tverrsnittsstrømningsområde |
| S | : | Helling av rørbunn, dimensjonsløs |
| V | : | Strømningshastighet m sek-1 |
| r | : | Rørradius, la oss: r = D/2 |
| D | : | Rør diameter |
| P | : | Fuktede perimeter |
| θ | : | vannoverflaten vinkel |
| Qef | : | Volumetrisk effektivitet |
| Qmax | : | Flow max |
| qr – | : | Strømning i rør |
| Vef | : | Sirkulasjon effektivitet |
| Vmax | : | maks Hastighet |
| Amax | : | Hastighet i røret |
| Amax | : | Tverrsnittsareal tilsvarer Qmax |
| Qp | : | Flyt i full seksjon |
| θ | : | vannoverflaten vinkel tilsvarer Qmax |
| RR | : | Motstandshastighet |