Дослідження гідродинаміки каналізаційних полівінілхлоридних труб у м. Конотоп Сумської обл.

Abstract

У магістерській кваліфікаційній роботі досліджено роботу каналізаційних колекторів із труб ПВХ за різними методиками у м. Конотоп Сумської області. Проектування мереж водовідведення передбачає одночасне вирішення двох завдань – оптимальне проектування каналізаційних мереж та мінімізація витрат на їх влаштування [1]. Мережі водовідведення повинні гарантувати, що транспортовані зі стічними водами частинки не осаджуватимуться на дні труб, а отже, не змінюватимуть поперечний переріз труб та не спричинюватимуть коливання значень швидкості руху стічних вод. Інженери-проектанти для розрахунку каналізаційних мереж використовують різноманітні таблиці, номограми та сучасні комп'ютерні програми. В даній роботі порівнюється гідравлічний розрахунок каналізаційних мереж м. Конотоп Сумської області із ПВХ труб [2] за таблицями [4] (варіант І) та ПВХ труб [3] труб за допомогою комп'ютерної програми Kan_v206 (PipeLife) за методикою [5] (варіант ІІ). В основу методики [4] покладено принцип гідравліки трубопроводів про відповідність один одному закону гідравлічних опорів і закону зміни швидкостей руху рідини на різному видаленні точки потоку від стінки труби. Існування внутрішнього зв'язку між законом гідравлічного опору і розподілом швидкостей за перерізом потоку ілюструє формула Шезі. Проте, формула Шезі далеко не у всіх випадках забезпечувала збіг розрахункових та експериментальних даних.

Під час визначення втрат напору на тертя (або гідравлічного похилу) під час руху рідини по трубах необхідно враховувати шорсткість їх матеріалу та в'язкість рідини (за інших рівних умов). При цьому в області гладкого тертя опір не залежить від шорсткості, а квадратичної області – від в'язкості. Вперше в методиці [4] показано можливість гідравлічного розрахунку безнапірних трубопроводів з одного і того ж матеріалу за єдиним коефіцієнтом шорсткості. Значення коефіцієнта еквівалентної рівномірнозернистої шорсткості Kе пластикових труб прийнято рівним 0,02 мм. Формула М.М. Павловського не враховує в'язкість рідини і тому дійсна лише у квадратичній ділянці гідравлічних опорів. Формули, отримані О.Я. Добромисловим [4], рекомендовано для гідравлічних розрахунків безнапірних трубопроводів, що працюють зокрема й в перехідній області опорів. Методика гідравлічного розрахунку каналізаційних мереж із труб ПВХ (Pipelife) основана на використанні формули Колбрука-Уайта [5]. Формулу Колбрука-Уайта використовують для розрахунку коефіцієнта тертя ? у турбулентному потоці в трубах з шорсткими стінками. Вона є неявною (тобто ? не виражено явно через інші параметри), але дуже точно описує гідравлічний опір у широкому діапазоні чисел Рейнольдса та відносної шорсткості. Розрахунок безнапірних трубопроводів оснований на розрахунку напірних трубопроводів з врахуванням понижувальних коефіцієнтів залежно від наповнення труби h/d [5]. У безнапірних трубопроводах турбулентний потік знаходиться в перехідному діапазоні між гідравлічногладкими трубами та повністю шорсткими (так звана зона B). Для таких умов потоку значення коефіцієнта гідравлічного опору обчислюють за формулою Колбрука-Уайта.

Відносна шорсткість стінок труби залежить від матеріалу труб та ступеня зношення внутрішньої поверхні стінки труби. В комп'ютерній програмі Kan_v206 (PipeLife) для ПВХ труб прийнято k=0,25 мм. У магістерській кваліфікаційній роботі на підставі гідравлічного розрахунку за методиками [4] і [5] порівняно конструктивні (діаметри, похили та середні глибини закладання туб) та кінематичний (середня швидкість руху стічних вод) параметри роботи мережі водовідведення м. Конотоп Сумської області, виконаної з труб із непрастифікованого ПВХ. Похил прокладання розрахункових ділянок по довжині головного колектора змінювався для труб ПВХ: обчислений за методикою [18] – від 0,005 до 0,008; обчислений за методикою [19] – від 0,005 до 0,010. Найменші значення похилу прокладання труб ПВХ, обчисленого за методикою [18], (0,005) прийнято на ділянках колектора: діаметром 200 мм довжиною до 600 м; діаметром 315 мм довжиною від 2435 м до 2985 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,008) прийнято на ділянці колектора діаметром 200 мм довжиною від 600 м до 1345 м. Найменше значення похилу прокладання труб ПВХ, обчисленого за методикою [19], (0,005) прийнято на ділянці колектора діаметром 200 мм довжиною до 600 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,010) прийнято на ділянці колектора діаметром 200 мм довжиною від 600 м до 1345 м. Однаковий похил прокладання труб ПВХ (різниця 0%) спостерігається на ділянках колектора довжиною до 600 м та довжиною від 2985 м до 3740 м. Найбільша різниця похилу прокладання труб ПЕ (33%) спостерігається на ділянці колектора довжиною від 1345 м до 2435 м. Діаметри поліетиленових труб, підібрані за методиками [18] і [19], по всій протяжності головного колектора були однаковими та дорівнювали 200 мм та 315 мм.

Швидкість руху стічних вод по довжині головного колектора збільшувалася: для труб ПВХ, обчислена за методикою [18], – від 0,97 м/с до 1,53 м/с; для труб ПВХ, обчислена за методикою [19], – від 0,80 м/с до 1,21 м/с. Найменша різниця швидкості руху стічних вод (14,2-145%) у ПВХ трубах спостерігається на ділянці колектора довжиною від 600 м до 2985 м. Найбільша різниця швидкості руху стічних вод (20,9%) у ПВХ трубах спостерігається на ділянці колектора довжиною від 2985 м до 3740 м. Середня глибина закладання головного колектора із труб ПВХ, обчислена за методикою [18], збільшувалася від 1,75 м до 3,50 м. Середня глибина закладання головного колектора із труб ПЕ, обчислена за методикою [19], збільшувалася від 3,47 м до 6,88 м. Значення різниці середньої глибини закладання труб по всій довжині головного колектора змінювалося від 0% до 67%. Найбільше значення різниці середньої глибини закладання труб (67%) спостерігається на ділянці трубопроводу діаметром 315 мм довжиною від 2985 м до 3740 м. Найменше значення різниці середньої глибини закладання труб (0%) спостерігається на ділянці трубопроводу діаметром 200 мм довжиною до 600 м. Техніко-економічними розрахунками встановлено річні приведені затрати на влаштування головного колектора з труб ПВХ, запроектованого за методиками [4] і [5] – 1819,3 тис. грн та 1875,4 тис. грн. відповідно. Це свідчить про економічну доцільність прокладання головного каналізаційного колектора із труб ПВХ, запроектованого за методикою [4].гідравлічний розрахунок.The master's qualification work investigated the operation of sewage collectors made of PVC pipes using various methods in the city of Konotop, Sumy region. The design of drainage networks involves the simultaneous solution of two tasks - optimal design of sewer networks and minimizing the costs of their installation [1]. Drainage networks must ensure that particles transported with wastewater do not settle on the bottom of the pipes, and therefore do not change the cross-section of the pipes and do not cause fluctuations in the values of the speed of movement of wastewater. Design engineers use various tables, nomograms and modern computer programs to calculate sewer networks. This paper compares the hydraulic calculation of sewer networks in the city of Konotop, Sumy region, made of PVC pipes [2] according to tables [4] (option I) and PVC pipes [3] using the computer program Kan_v206 (PipeLife) according to the method [5] (option II). The methodology [4] is based on the principle of pipeline hydraulics, which states that the law of hydraulic resistance and the law of fluid velocity change correspond to each other at different distances from the flow point to the pipe wall. The existence of an internal connection between the law of hydraulic resistance and the distribution of velocities over the flow cross-section is illustrated by the Chezy formula. However, the Chezy formula did not in all cases ensure the coincidence of calculated and experimental data. When determining friction head losses (or hydraulic gradient) during fluid movement through pipes, it is necessary to take into account the roughness of their material and the viscosity of the fluid (other things being equal). In this case, in the smooth friction region, the resistance does not depend on the roughness, and in the quadratic region, it depends on the viscosity. For the first time, the methodology [4] shows the possibility of hydraulic calculation of pressureless pipelines made of the same material using a single roughness coefficient. The value of the coefficient of equivalent uniform-grained roughness Kе of plastic pipes is taken equal to 0.02 mm. The formula of M.M. Pavlovsky does not take into account the viscosity of the liquid and therefore is valid only in the quadratic region of hydraulic resistances. The formulas obtained by O.Ya. Dobromyslov [4] are recommended for hydraulic calculations of non-pressure pipelines operating in particular in the transitional region of resistances. The method of hydraulic calculation of PVC pipe sewer networks (Pipelife) is based on the use of the Coolebrok-White formula [5]. The Coolebrok-White formula is used to calculate the friction coefficient ? in turbulent flow in pipes with rough walls. It is implicit (i.e. ? is not expressed explicitly through other parameters), but very accurately describes the hydraulic resistance in a wide range of Reynolds numbers and relative roughness. The calculation of non-pressure pipelines is based on the calculation of pressure pipelines taking into account the reduction factors depending on the filling of the pipe h/d [5]. In non-pressure pipelines, the turbulent flow is in the transition range between hydraulically smooth pipes and completely rough ones. For such flow conditions, the value of the hydraulic resistance coefficient is calculated using the Coolebrok-White formula. The relative roughness of the pipe walls depends on the pipe material and the degree of wear of the inner surface of the pipe wall. In the computer program Kan_v206 (PipeLife) for PVC pipes, k=0.25 mm is assumed. In the master's qualification work, based on hydraulic calculation using methods [4] and [5], the structural (diameters, slopes and average depths of tube installation) and kinematic (average speed of wastewater movement) parameters of the drainage network of the city of Konotop, Sumy region, made of PVC-U (non- reinforced) pipes, are compared. The slope of the calculated sections along the length of the main collector varied for PVC pipes: calculated by the method [18] – from 0.005 to 0.008; calculated by the method [19] – from 0.005 to 0.010. The smallest values of the slope of the PVC pipes, calculated by the method [18], (0.005) were taken on the sections of the collector: with a diameter of 200 mm and a length of up to 600 m; with a diameter of 315 mm and a length of from 2435 m to 2985 m. The largest value of the slope of the laying (0.008) was taken on the section of the collector with a diameter of 200 mm and a length of from 600 m to 1345 m. The smallest value of the slope of laying PVC pipes, calculated by the method [19], (0.005) was adopted on the collector section with a diameter of 200 mm and a length of up to 600 m. The largest value of the slope of laying (0.010) was adopted on the collector section with a diameter of 200 mm and a length of from 600 m to 1345 m. The same slope of laying PVC pipes (difference 0%) is observed on the collector sections with a length of up to 600 m and a length of from 2985 m to 3740 m. The largest difference in the slope of laying PE pipes (33%) is observed on the collector section with a length of from 1345 m to 2435 m. The diameters of polyethylene pipes, selected by the methods [18] and [19], were the same along the entire length of the main collector and were equal to 200 mm and 315 mm. The speed of wastewater movement along the length of the main collector increased: for PVC pipes, calculated by the method [18], from 0.97 m/s to 1.53 m/s; for PVC pipes, calculated by the method [19], from 0.80 m/s to 1.21 m/s. The smallest difference in the speed of wastewater movement (14.2-145%) in PVC pipes is observed in the collector section with a length of 600 m to 2985 m. The largest difference in the speed of wastewater movement (20.9%) in PVC pipes is observed in the collector section with a length of 2985 m to 3740 m. The average depth of the main collector of PVC pipes, calculated by the method [18], increased from 1.75 m to 3.50 m. The average depth of the main collector of PE pipes, calculated by the method [19], increased from 3.47 m to 6.88 m. The difference in the average depth of pipe laying along the entire length of the main collector varied from 0% to 67%. The largest difference in the average depth of pipe laying (67%) is observed on the section of the pipeline with a diameter of 315 mm and a length of 2985 m to 3740 m. The smallest difference in the average depth of pipe laying (0%) is observed on the section of the pipeline with a diameter of 200 mm and a length of up to 600 m. Feasibility studies have established the annual reduced costs for the installation of a main sewer collector made of PVC pipes, designed according to the methods [4] and [5] – 1819.3 thousand UAH and 1875.4 thousand UAH, respectively. This indicates the economic feasibility of laying a main sewer collector made of PVC pipes, designed according to the method [4].