Повышение наносотранспортирующей способности потоков в водоводах путем возбуждения поперечной циркуляции

Актуальность. Перенос естественным или искусственным потоком наносов — явление, широко распространенное как в природе, так и технике, например, в строительстве (гидротранспорт), в коммунальном хозяйстве (отвод ливневых вод с территории), в гидроэнергетике (промывные галереи ГЭС). Однако, существует серьезная проблема осаждения наносов на дно трубопроводов, что приводит к их заилению, ухудшению условий работы, и, в конечном счете, необходимости проведения дорогостоящих аварийно-восстановительных работ.

Повысить транспортирующую способность осевого потока можно только за счет увеличения скорости, что в случае безнапорного движения возможно при увеличении уклонов трубопроводов. Это в свою очередь приводит к значительному удорожанию стоимости земельных работ, усложнению эксплуатации и ремонта. То есть, фактически, в производственных условиях поддерживать постоянно критическое значение скорости не представляется возможным. Таким образом, исследование способа создания и поддержания режима, который исключает осаждение наносов в трубопроводе на всем пути движения жидкости, по-прежнему является актуальной задачей.

Исходя из вышесказанного, в настоящей работе предложено использовать закрутку потока как наиболее эффективный способ, обеспечивающий повышение его транспортирующей способности. А для увеличения объема исследований, в едином методическом виде представлены результаты еще двух работ, в которых решались схожие задачи.

На примере участка коллектора ливневых вод с расположенным в начале завихрителем показана возможность и эффективность использования предложенного метода.

Цель работы. Целью работы является обобщение опыта формирования и использования в водопропускных сооружениях закрученных потоков, позволяющее доказать возможность повышения наносотранспортирующей способности трубопроводов и дать рекомендации по реконструкции существующих водоотводящих систем.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

— исследование свойств закрученных потоков как чистой воды, так и воды с наносами, по результатам, полученных на трех различных установках;

— определение пропускной способности, изменение угла закрутки и скоростей, распределение наносов по длине и сечению трубопровода;

— обобщение и анализ представленных данных;

— оценка транспортирующей способности закрученных потоков;

— разработка рекомендаций по реконструкции существующих водоотводящих систем и порядка определения необходимых параметров.

Научная новизна работы. Исследованиям свойств закрученных потоков в целом, и их транспортирующей способности в частности, посвящены работы многих авторов. Однако, преимущественно, изучение в них велось применительно к гидротехническим сооружениям, характеризующихся большими значениями расхода, напора, скорости (высоконапорные водосбросы, отстойники ГЭС, оросительные системы). В данной работе проблема увеличения транспортирующей способности потока с помощью его закрутки рассматривается применительно к безнапорным сетям ливневых вод.

В работе получены и обобщены экспериментальные данные о параметрах закрученного потока в круглой трубе при наличии твердой фракции.

Составлены рекомендации для проведения реконструкции элементов существующих водоотводящих сетей.

Достоверность результатов обеспечивается применением классических методов физического моделирования, подтверждается использованием достоверных средств измерения и обработки экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с экспериментальными и теоретическими результатами других исследователей.

Практическая значимость. Принципиально обоснована возможность использования в отечественной практике сетей ливневой канализации с применением закрутки потока.

Показано, что применение закрученного потока для увеличения транспортирующей способности в сетях ливневой канализации вместо традиционного осевого, позволяет получить экономический эффект за счет уменьшения объемов земляных работ при строительстве, уменьшения затрат на аварийно-восстановительные работы.

Даны предложения по внедрению предложенной системы для реконструкции существующих элементов ливневой сети.

Личное участие автора состоит в обобщении материалов по исследованиям транспортирующей способности закрученных потоков, выполненных разными авторами, формулировании задач исследований, подготовке программы экспериментальных исследований и анализе их результатовразработке рекомендаций по внедрению предложенной системы.

Апробация полученных результатов. Содержание и результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства» в 2010;2011 гг.

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (134 наименования), содержит 135 страниц основного текста, в том числе 53 рисунка и 13 таблиц.

Выводы по 4 главе.

1. Представлены результаты анализа опытных данных, полученных при исследованиях закрученных потоков, как чистой воды, так и воды с наносами, проведенных на трех установках.

2. Результаты исследований пропускной способности трубопроводов показали, что в первую очередь она зависит от площади поперечного сечения входного отверстия. Пропускная способность уменьшалась при уменьшении входного отверстия, т. е. при увеличении степени закрутки потока. Снижение пропускной способности было обусловлено:

— в установке № 1 — уменьшением геометрического параметра закручивающего устройства, А на входе в трубопровод © = 1,8−5,6 л/с);

— в установке № 2 — уменьшением угла наклона стержней донной решетки (С2 = 2,4−17,0 л/с);

— в установке № 3 — уменьшением высоты входной щели в промывную трубу ((}= 1,55−3,61 л/с).

3. Наличие наносов в потоке не влияло на пропускную способность. При заилении дна трубы в эксперименте на установке № 2 она снижалась всего на 2−3%.

4. Изучение характера изменения угла закрутки по длине и сечению трубопровода показало, что закрутка гаснет по длине трубопровода, причем, чем больше начальный угол закрутки, тем больше расстояние, на котором сохраняется закрутка. Угол закрутки в экспериментах имел следующие значения:

— на установке № 1 — начальная закрутка ПО = 0,69-Ю, 82, что соответствует tga = 0,95−4,43. При длине трубопровода 200 см длина закрученного потока соответственно равнялась 130−170 см. На конечном участке поток переходил в осевой, закрутка отсутствовала (Пк = 0).

— на установке № 2 угол закрутки, выражаемый через tgф, по длине галереи изменялся в следующих диапазонах — tg (p = 1,8-Ю, 675 без транзитного расхода (расхода, поступающего в начале галереи без закрутки) — tgф = 0,97−0,58 — с транзитным расходом.

— На установке № 3 средний угол закрутки составлял tgфcp = 0,478−0,805.

По сечению потока угол также является переменной величиной и увеличивается от нуля на оси потока до максимального значения у стенки галереи.

5. Изучение характера изменения скоростей закрученных потоков показало следующее:

— с увеличение угла закрутки средняя скорость потока увеличиваетсяпри этом увеличивается значение окружной составляющей скорости, а значение осевой составляющей — уменьшается;

— средняя по сечению осевая скорость ухср увеличивалась по длине промывной галереи установки № 2 в 1,8 — 2,6 раза, причем в начальном участке галереи значение ух уменьшается к оси потока;

— окружные скорости Уф по горизонтальному диаметру увеличиваются от нуля на оси потока до максимального значения у стенкипо вертикальному диаметру значения Уф имеют большие значения ниже оси, а меньшие — выше оси;

— в начальном участке галереи вблизи оси потока значение уф больше, чем на выходном участке.

6. При изучении распределения наносов по сечению и длине трубопроводов выявлены следующие закономерности:

— по сечению потока наносы распределяются относительно равномерно, интенсивность закрутки потока сильно не изменяется;

— в продольном направлении движения отмечены пульсации мутности;

— минимальная концентрация наносов находится на оси потока, максимальная — у стенки трубы;

— подъем частиц со дна галереи происходит по направлению вращения потока. Увеличение наносов в потоке приводит к началу осаждения, однако осевшие в виде гряд частицы постепенно передвигаются по дну и при дальнейшем прекращении подачи наносов полностью смываются.

На установке № 1: Q = 5,6 1,8 л/с, скорость подачи песка соответственно составляла 5,6-^- 1,8 г/с, концентрация (мутность) наносов равнялась 1,0 г/л.

На установке № 2 опыты выполнялись при расходах Qnp = 5,75 9,65 л/с, скорость подачи песка составляла 4,87^- 9,76 г/с, концентрация (мутность) на выходе SBbIX = 0,3-^1,61 г/л.

7. Оценка транспортирующей способности закрученных потоков показала, что:

— при всех режимах оседание начинается при угасании закрутки, т. е в месте, где поток переходит в осевой;

— при проведении сравнительных опытов с осевым потоком, его транспортирующая способность в 2,4-КЗ, 4 раза меньше, чем закрученного;

— при эксперименте на установке № 1 установлено, что увеличить длину трубопровода, на котором сохраняется закрутка, можно, увеличивая напор на входе. Однако, это приводит к увеличению скоростей потока, и, соответственно, истиранию частей трубопровода. Поскольку энергии остаточной закрутки достаточно, чтобы транспортировать даже осевшие наносы, дальнейшее увеличение напора не рекомендуется.

ГЛАВА 5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ВНЕДРЕНИЮ. РЕКОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ С ЦЕЛЬЮ ЗАКРУТКИ.

ПОТОКА.

Как было отмечено в предыдущих главах, обеспечение отвода поверхностных вод с жилых и промышленных территорий является крайне актуальной проблемой. Однако, в современных условиях основной задачей становится не строительство новых, а обеспечение надежной эксплуатации уже существующих подземных коммуникаций, что неизбежно связано с заменой, перекладкой и реконструкцией отслуживших свой нормативный срок и аварийных участков сетей.

5.1. Современные схемы организации поверхностного водоотвода.

В настоящее время при застройке населенных пунктов многоэтажными зданиями устраиваются современные системы поверхностного водоотведения, в основном закрытые, т. е. в виде подземных трубопроводов.

Наибольшее распространение при отведении поверхностного стока получили железобетонные трубы. Трубы внутренним диаметром 400 мм применяются для внутриквартальных сетей, трубы диаметром 500. 1600 мм — для уличных коллекторов, трубы больших диаметров — для водоотводящих коллекторов. Железобетонные трубы должны быть водонепроницаемыми и выдерживать испытательные гидростатические давления, равные 0,005 МПа.

Основной принцип трассирования — сбор поверхностных вод со всей территории населенного пункта или промпредприятия и подача их к месту очистки или к выпуску в водный объект кратчайшим путем и по возможности самотеком.

Размещение уличных магистралей поверхностного водоотведения зависит от расположения дождеприемников — внутри кварталов и на улицах или только на улицах, а также от схемы трассирования сетей относительно кварталов (рис. 5.1) [32].

11 11 11.

Рис. 5.1. Схема трассировки внутриквартальной водоотводящей сети: 1-трубопровод внутриквартальной сети- 2 — смотровые колодцы- 3 — уличная сеть- 4 — соединительная веткаКК — контрольный колодец.

Наименьшая глубина заложения труб дождевой сети принимается по опыту эксплуатации подобных сетей в данном районе. Минимальная глубина заложения лотка труб от поверхности земли может быть назначена меньше глубины промерзания на 0,3 м при диаметре труб до 500 мм и на 0,5 м при большем диаметре труб.

Расстояние от поверхности земли до верха трубы должно быть не менее 0,7 м. При необходимости меньшего заложения труб следует принимать меры для защиты от повреждения наземным транспортом и промерзания. Укладка труб в зоне сезонного промерзания нередко приводит к замерзанию в трубах талых вод в весеннее время.

Глубина заложения Н, м уличного коллектора в начальной точке вычисляется по формуле:

Н=к + гп/п + ив + (2Гг2) + А,.

Где к — глубина заложения линии присоединения в наиболее удаленном дождеприемнике, м- ¿-п, — уклоны труб присоединительной ветви и внутриквартальной сети- /п, /в — длины присоединительной ветви и внутриквартальной ветви и внутриквартальной сети от наиболее удаленного колодца до колодца на уличной магистрали, мг2 — отметки поверхности земли после планировки соответственно на уличном проезде и у самого удаленного дождеприемника, мА — перепад между лотками внутриквартальной и уличной сети (рис. 5.2) [32]. v>v.

Рис. 5.2. Продольные профили боковых веток с перепадным колодцем (а) и участком с повышенным уклоном (б): 1 — перепадный колодец- 2 — боковая ветка- 3 — коллектор

Водосточные коллекторы прокладывают обычно вдоль оси улиц, с подключением к ним дождеприемников, располагаемых вдоль бордюрного камня в месте сопряжения дорожного полотна и тротуара.

5.2. Элементы сети ливневой канализации.

Дождеприемники представляют собой камеры, перекрытые чугунными решетками на уровне покрытия дороги. В плане дождеприемники могут быть круглыми диаметром 700 или 1000 мм и прямоугольными 600×900 мм (рис. 5.3).

Глубина заложения дождеприемных колодцев Н зависит от глубины промерзания грунтов.

По типовым проектам для дорог величина Н составляет 1130.2020 мм, а для парковых территорий — 910. 1380 мм. а) УШШК N.

D.

SSSS3 i jszzzишгЩ at бТ ц.

Щ.

Г-J.

4 1 ш 1 бТ.

Рис. 5.3. Дождеприемники: а) круглые железобетонныеб) прямоугольные кирпичные.

Вода из дождеприемника по соединительной ветке отводится в водосток. Соединительные ветки располагаются ниже глубины промерзания и их длина, как правило, не превышает 40 м. Диаметр трубы присоединения должен быть не менее 200 мм, а ее уклон 0,02.

В ряде случаев на дождевых сетях устраиваются смотровые и перепадные колодцы, а также камеры в местах слияния двух или трех водостоков большого диаметра. Смотровые колодцы (рис. 5.4) [32] предусматриваются в местах присоединения к коллектору, к уличной или внутриквартальной магистрали, в местах изменения направления, уклонов и диаметров трубопроводов, а также на прямых участках на расстояниях: при диаметрах труб d=200−450 мм — 50 мd=500−600 мм — 75 мd=700−900 мм -100 мd=l000−1400 мм — 150 мd=1500−2000 мм — 200 м-, при диаметре более 2000 мм — 250−300 м.

Колодцы и камеры выполняются из сборного или монолитного бетона и железобетона. Минимальные размеры рабочих камер: высота 1,8 м, диаметр 1,0 м.

1 А-Л.

Рис. 5.4. Смотровой колодец: 1- люк с крышкой- 2 — железобетонные кольца горловины- 3 — ж/б кольца камеры- 4 — плита основания.

5.3. Предложение по реконструкции элементов сети ливневой канализации с целью закрутки потока.

По нашему мнению, элементом сети, на котором возможно осуществление реконструкции с целью создания закрученного потока, являются перепадные колодцы.

Они предусматриваются при необходимости понижения оси трубопровода для приема притоков, во избежание возникновения в трубах скоростей течения, превышающих максимально допустимые, при пересечении с другими подземными сооружениями и для устройства затопленных выпусков. По высоте перепадов перепадные колодцы подразделяют на колодцы малой (до 6 м) и большой высоты. Перепадный колодец малой высоты шахтного типа представляет собой камеру, форма которой аналогична форме смотрового колодца, к которой пристроена или встроена гладкая шахта (рис. 5.5).

Сечение стояка не должно быть менее сечения подводящего трубопровода, в основании устраивается водобойный приямок.

А=А.

Рис. 5.5. Перепадной колодец шахтного типа после реконструкции: 1 -горловина- 2 — рабочая камера- 3 — основание- 4 — шахта (стояк) — 5 -водобойный приямок- 6 — тангенциальный завихритель.

Поскольку конструкция такого колодца теоретически допускает устройство тангенциального завихрителя, аналогичного рассматриваемому в настоящей работе, предлагаем следующий порядок определения параметров системы:

1. Зная диаметр и уклон подводящего трубопровода, пользуясь справочными данными, например [66], определяем расход, поступающий в данный колодец.

2. Выбор конструкции завихрителя начинаем с определения его геометрического параметра, А по формуле (3.1), который в рассматриваемом случае в большей степени зависит от площади входного отверстия Рвх (см. рис. 3.1).

3. Руководствуясь методикой, изложенной в главе 3 (3.10−3.17), выполняем проверочный расчет пропускной способности трубопровода с учетом установки закручивающего устройства.

4. В случаях, когда геометрический параметр закручивающего устройства, А равен 0,73, 1,26 и 2,86, в целях определения напора на входе, необходимого для создания закрутки, можно использовать данные, представленные в главе 4 (рис. 4.1). Для натурного трубопровода диаметром.

500 мм график зависимости Р=^ЬВХ) примет вид (рис. 5.6):

Ивх, см.

Рис. 5.6. Пропускная способность трубопровода с≠500 в зависимости от напора на входе Ьвх.

5. В зависимости от протяженности отводящего трубопровода, по графику (4.14) определить, на каком расстоянии будет сохраняться закрутка при данном напоре Ьвх. Для натурного трубопровода диаметром 500 мм данные графика примут следующие значения:

Рис. 5.7. Длина участка трубопровода с1=500, на котором сохраняется закрутка, в зависимости от напора на входе Ьвх.

Достаточным, для предотвращения оседания наносов на дно и его заиления, в первом приближении, можно считать длину, равную 1/5 длины трубопровода. При этом нужно иметь в виду, что данные можно считать достоверными для дождевых вод с содержанием взвешенных веществ не более 1000 мг/л.

6. При необходимости увеличения длины участка с закруткой и при возможности увеличения напора на входе (в зависимости от глубины колодца, а также от фактических расходов) данные по указанным графикам можно получить с помощью экстраполяции. Однако, для трубопроводов, с диаметром, не равным 500 мм, требуется проведение дополнительных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Перенос естественным или искусственным потоком наносовявление, широко распространенное как в природе, так и технике. Однако осаждение наносов на дно трубопроводов, приводящее к их заилению и, таким образом, к ухудшению условий работы, требует проведения аварийно-восстановительных работ. Поскольку повысить транспортирующую способность осевого потока можно только за счет увеличения скорости, что при безнапорном движении влечет за собой увеличение уклонов трубопроводов, и, соответственно, значительное удорожание работ, в настоящей работе предложено использовать для этой цели закрутку потока.

2.Исследованиям транспортирующей способности закрученных потоков посвящены работы многих авторов. Для обобщения опыта формирования и использования в водопропускных сооружениях закрученных потоков в настоящей работе наряду с проведенным экспериментом представлены результаты работ [107, 121], как наиболее близкие по методу решения поставленных задач.

3.На основании рассмотренных нами различных видов закручивающих устройств, для экспериментальной установки по изучению наносотранспортирующей способности трубопроводов ливневой канализации был выбран тангенциальный завихритель, обладающий наиболее простой и надежной конструкцией. Также была предусмотрена возможность менять угол закрутки потока с помощью специальных вставок.

4.Учет поставленных задач при изготовлении установки, в том числе моделирование осаждения наносов, и значения расходов воды, обеспечили выполнение требуемых законов моделируемого явления. Примененные методики испытаний и измерений обеспечили получение достоверных экспериментальных результатов. Использование результатов как нашей, так и других существующих работ, посвященных решению аналогичных задач, с сопоставимыми методиками измерений и параметрами проведения эксперимента позволило значительно увеличить объем анализируемых результатов.

5.Проведенные исследования показали, что наличие в потоке наносов не влияет ни на пропускную способность трубопроводов, ни на степень закрученности потока. В первую очередь на данные характеристики оказывает влияние напор на входе и параметр завихрителя, А (т.е. в представленных экспериментах — площадь поперечного сечения входного отверстия): при увеличении напора и параметра, А увеличиваются как расход, так и угол закрутки.

6. Характерной особенностью кинематической структуры закрученного потока в трубопроводе является неравномерное распределение по длине и сечению угла закрутки, скоростей, и концентрации наносов: а) закрутка гаснет по длине трубопровода, причем, чем больше начальный угол закрутки, тем больше расстояние, на котором она сохраняется. По сечению потока угол закрутки увеличивается от нуля на оси потока до максимального значения у стенки трубопровода. б) с увеличение угла закрутки средняя скорость потока увеличиваетсяпри этом увеличивается значение окружной составляющей скорости, а значение осевой составляющей — уменьшается. Средняя по сечению осевая скорость ухср увеличивается по длине трубопровода. Окружные скорости уф по горизонтальному диаметру увеличиваются от нуля на оси потока до максимального значения у стенкипо вертикальному диаметру значения уф имеют большие значения ниже оси, а меньшие — выше оси. в) минимальная концентрация наносов находится на оси потока, максимальная — у стенки трубы, в продольном направлении движения отмечаются пульсации мутности.

7. Сравнительные опыты с осевым потоком показали, что транспортирующая способность закрученного потока в 2,4+3,4 раза больше, чем осевого.

8.При всех исследованных режимах оседание наносов начинается при угасании закрутки, т. е в месте, где поток переходит из закрученного в осевой.

9.В ходе эксперимента установлено, что увеличить длину участка трубопровода, на котором сохраняется закрутка и тем самым предотвратить оседание частиц можно, увеличивая напор на входе. Однако, поскольку из-за увеличивающейся скорости повышается абразивное воздействие потока на конструктивные элементы трубопровода, это является нежелательным. Полученные результаты также доказывают, что энергии остаточной закрутки достаточно для перемещения частиц загрязнения, вплоть до полного смывания со дна, уже осевших частиц.

10. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, рассмотренные в рамках настоящей диссертации, дополняют ранее полученные данные по эффективности транспортирующей способности закрученных потоков. В то же время остаются нерешенными еще ряд вопросов, которые должны стать задачей предстоящих исследований. В частности, следует более подробно изучить вопрос о переносе наносов закрученным потоком на более длинные расстояния, при разных уклонах и диаметрах трубопровода, сравнить работу завихрителей с большими значениями параметра А, а также уточнить влияние напора перед закручивающим устройством на скорости в отводящем трубопроводе, для оценки возможного истирания его элементов.