Гідравлічні дослідження роботи каналізаційних колекторі із поліетиленових труб у м. Конотоп Сумської обл. - Белінський, Олексій Анатолійович; Belinskyi, Oleksii Anatoliiovych (Національний університет "Львівська політехніка", 2024)
У магістерській кваліфікаційній роботі досліджено роботу каналізаційних колекторів із поліетиленових труб 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 поліетиленових труб [2] за таблицями [4] (варіант І) та поліетиленових труб [3] труб за допомогою комп'ютерної програми Uponor Infra 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 Wehopipe (Uponor) 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. Для поліетиленових труб прийнято k=0,01 мм. У програмі Uponor Infra для визначення показника, зазначеного як мету розрахунків, використаний ітераційний метод. 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 із поліетиленових труб у м. Конотоп Сумської області Похил прокладання розрахункових ділянок по довжині головного колектора змінювався для труб ПЕ: варіант І – від 0,003 до 0,008; варіант ІІ – від 0,003 до 0,007. Найменші значення похилу прокладання труб ПЕ за варіантом І (0,003) прийнято на ділянках колектора діаметром 500 мм довжиною від 1290 м до 1998 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,008) прийнято на ділянках колектора довжиною від 6851 м до 9106 м. Найменше значення похилу прокладання труб ПЕ за варіантом ІІ (0,003) прийнято на ділянках колектора діаметром 500 мм довжиною від 1290 м до 1998 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,007) прийнято на ділянках колектора діаметром 630 мм довжиною від 2766 м до 3456 м, а також від 8186 м до 9106 м. Однаковий похил прокладання труб ПЕ (різниця 0%) спостерігається на ділянках колектора довжиною від 505 м до 1290 м. Найбільша різниця похилу прокладання труб ПЕ (25%) спостерігається на ділянці колектора довжиною від 6851 м до 8186 м. Діаметри поліетиленових труб за обидвома варіантами по всій протяжності головного колектора були однаковими та дорівнювали 200 мм, 400 мм, 500 мм і 630 мм. Швидкість руху стічних вод по довжині головного колектора збільшувалася для труб ПЕ: варіант І – від 0,84 м/с до 2,97 м/с; варіант ІІ – від 0,70 м/с до 2,53 м/с. Найменша різниця швидкості руху стічних вод (3%) у поліетиленових трубах діаметром 630 мм спостерігається на ділянці колектора довжиною від 5446 м до 6851 м. Найбільша різниця швидкості руху стічних вод (20%) у поліетиленових трубах діаметром 630 мм спостерігається на ділянці колектора довжиною від 6851 м до 8186 м. Середня глибина закладання головного колектора із труб ПЕ за варіантом І збільшувалася від 2,27 м до 14,61 м. Середня глибина закладання головного колектора із труб ПЕ за варіантом ІІ збільшувалася від 2,01 м до 14,81 м. Значення різниці середньої глибини закладання труб по всій довжині головного колектора змінювалося від 1% до 23%. Найбільші значення різниці середньої глибини закладання труб (23%) спостерігалися на ділянках трубопроводу діаметром 630 мм довжиною 1998–2551 м. Найменші значення різниці середньої глибини закладання труб (1%) спостерігалися на ділянках трубопроводу діаметром 630 мм довжиною 8796–9106 м. Техніко-економічними розрахунками встановлено річні приведені затрати на влаштування головного колектора з труб ПЕ, запроектованого за методиками [4] і [5] – 6831,48 тис. грн та 7255,14 тис. грн. відповідно. Це свідчить про економічну доцільність прокладання головного каналізаційного колектора із труб ПЕ, запроектованого за методикою [4].гідравлічний розрахунок.

The master's qualification work investigated the operation of sewage collectors made of polyethylene 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 polyethylene pipes [2] according to tables [4] (option I) and polyethylene pipes [3] using the Uponor Infra computer program 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 sewer networks from Wehopipe pipes (Uponor) is based on the use of the Colebrook-White formula [5]. The Colebrook-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 Colebrook-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. For polyethylene pipes, k=0.01 mm is taken. In the Uponor Infra program, an iterative method is used to determine the indicator specified as the purpose of the calculations. In the master's qualification work, based on the hydraulic calculation using methods [4] and [5], the structural (diameters, slopes and average depths of laying tubes) and kinematic (average speed of wastewater movement) parameters of the drainage network from polyethylene pipes in the city of Konotop, Sumy region were compared. The slope of the calculated sections along the length of the main collector varied for PE pipes: option I - from 0.003 to 0.008; option II - from 0.003 to 0.007. The smallest values of the slope of the PE pipes according to option I (0.003) were adopted on sections of the collector with a diameter of 500 mm and a length of 1290 m to 1998 m. The largest value of the slope of the laying (0.008) was adopted on sections of the collector with a length of 6851 m to 9106 m. The smallest value of the slope of the PE pipes according to option II (0.003) was adopted on sections of the collector with a diameter of 500 mm and a length of 1290 m to 1998 m. The largest value of the laying slope (0.007) was adopted in collector sections with a diameter of 630 mm and a length of 2766 m to 3456 m, as well as from 8186 m to 9106 m. The same laying slope of PE pipes (difference 0%) is observed in collector sections with a length of 505 m to 1290 m. The largest difference in laying slope of PE pipes (25%) is observed in collector sections with a length of 6851 m to 8186 m. The diameters of polyethylene pipes in both options along the entire length of the main collector were the same and were equal to 200 mm, 400 mm, 500 mm and 630 mm. The speed of wastewater movement along the length of the main collector increased for PE pipes: option I - from 0.84 m/s to 2.97 m/s; option II – from 0.70 m/s to 2.53 m/s. The smallest difference in the speed of movement of wastewater (3%) in polyethylene pipes with a diameter of 630 mm is observed in the collector section with a length of 5446 m to 6851 m. The largest difference in the speed of movement of wastewater (20%) in polyethylene pipes with a diameter of 630 mm is observed in the collector section with a length of 6851 m to 8186 m. The average depth of laying the main collector from PE pipes according to option I increased from 2.27 m to 14.61 m. The average depth of laying the main collector from PE pipes according to option II increased from 2.01 m to 14.81 m. The value of the difference in the average depth of laying pipes along the entire length of the main collector varied from 1% to 23%. The largest values of the difference in the average depth of pipe laying (23%) were observed on sections of the pipeline with a diameter of 630 mm and a length of 1998–2551 m. The smallest values of the difference in the average depth of pipe laying (1%) were observed on sections of the pipeline with a diameter of 630 mm and a length of 8796–9106 m. Feasibility studies have established the annual reduced costs for the installation of a main sewer collector made of PE pipes, designed according to the methods [4] and [5] – 6831.48 thousand UAH and 7255.14 thousand UAH, respectively. This indicates the economic feasibility of laying a main sewer collector made of PE pipes, designed according to the method [4].
Hydraulic studies of the operation of sewage collectors made of polyethylene pipes in Konotop, Sumy Region
Keywords: 3.192.00.00; – мережа водовідведення; поліетиленові труби; – drainage network; polyethylene pipes; hydraulic calculation