Підвищення ефективності вентиляції колекторів систем водовідведення

 При аналізі теоретичних досліджень вентиляційних процесів показано, що в переважній більшості робіт використовуються спрощені методики, засновані на експериментальних даних і ряді допущень, правомірність яких для складних інженерних споруджень багатоцільового призначення, що являють собою системи водовідведення, не підтверджена, тому в ряді випадків розрахункові і дослідні характеристики значно різняться. Зокрема, це відноситься до розрахунку захоплювальної здатності поверхні рідини, що базується на підставі рівнянь Навьє-Стокса, які застосовуються для ламінарної течії рідини і газу. 

 На підставі виконаного огляду теоретичних і експериментальних робіт, які висвітлюють питання систем водовідведення і математичного моделювання аерогідродинамічних і дифузійних процесів, що проходять у них, сформульовані мета і конкретні задачі дослідження, приведені на початку реферату. 

 Другий розділ присвячений розробці математичних моделей течій рідини і газу в колекторах систем водовідведення, що є підставою для розрахунку вентиляції, дифузійних процесів, алгоритмів і програм їхньої реалізації. 

 Базовими рівняннями, що описують стаціонарну турбулентну течію рідини вдовж осі х зі швидкістю u без урахування масових сил у колекторах водовідведення, є тривимірні рівняння Рейнольдса (1) і рівняння нерозривності. Замикається система рівняннями однієї з моделей турбулентної в'язкості (2). У роботі при рішенні рівнянь використані дві моделі – k-e і тришарова. Використання першої для рішення подібних задач обґрунтовано за допомогою методу розмірностей. Рівняння мають вигляд: 

 

де: 

k – кінетична енергія турбулентності; 

e – швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності; 

Сv=0, 09; sk=1, 0; se=1, 3; С1=1, 43; С2=1, 92; С3=0, 25 – емпіричні константи; 

n, nв – кінематична та турбулентна (вихрова) в'язкості. 

Для досягнення замкнутості і повноти системи рівнянь при течії рідини в колекторі адаптована тришарова модель турбулентної течії (4) з кусочно-лінійним розподілом вихрової в'язкості (рис. 1). 

Характер руху повітря в колекторах водовідведення та ефективність вентиляційного процесу залежить від двох основних факторів: температурних характеристик повітря і захоплювальної здатності рідини. З огляду на недостатню вивченість другого фактора, нами розглянуті питання формування вільної поверхні рідини і її вплив на витрату газу у підсводному просторі колектора. 

Передбачається, що стисливість і в'язкість рідини не грають істотної ролі, тому процес описується рівняннями нестаціонарної течії ідеальної нестисливої рідини: 

Рішення знайдене у виді добутку двох функцій, кожна з яких залежить тільки від x і z відповідно: 

 

У цьому рівнянні A1, A2, B1, B2, C1, C2 – довільні константи. 

Якщо глибина потоку набагато більше амплітуди хвилі, форма вільної поверхні має вигляд: 

 

z = (E1 sins t + E2 coss t)  (B1 cosk x + B2 sink x), (10)

 

де: 

 

Таким чином, при зазначених допущеннях профіль хвилі в колекторі описується сумою чотирьох гармонійних членів. 

Витрата повітря у підсводному просторі, викликана нерівномірністю профілю вільної поверхні рідини: 

Обстеження каналізаційних мереж і аналіз статистичних даних про руйнування підсводної частини безнапірних каналізаційних колекторів свідчить про те, що руйнування конструкцій в основному відбуваються під впливом газо-біологічної корозії. Концентрація газів у підсводному просторі залежить від таких факторів, як конструктивні особливості колекторів, хімічний склад стоків і інтенсивність процесу вентиляції. 

У зв'язку з цим визначена довжина зон поширення корозійної поразки в самопливних колекторах, що вимагають обов'язкового антикорозійного захисту. Концентрація газу в загальному випадку в колекторі довільного поперечного перерізу описується рівнянням дифузії.

Отримана залежність дозволяє розрахувати зміну концентрації різних газів по довжині колектора, довжину зон, небезпечних для перебування персоналу з урахуванням ГДК токсичних газів і визначити умови виникнення вибухонебезпечних концентрацій сумішей водню і метану з киснем повітря. 

У третьому розділі виконано аналіз методів моделювання процесів вентиляції систем водовідведення, наведено характеристика об'єктів і методів дослідження аерогідродинамічних характеристик потоків газу і рідини в колекторах і методика визначення адекватності математичних моделей. 

Спроектовано і виготовлено стенд (рис. 2), обрана контрольно-вимірювальна апаратура, визначені чисельні значення похибок вимірюваних величин. 

Рідина (вода) з бака 1 надходить через пристрій, що підводить, у модель колектора, виконаного зі скла. Довжина прямої ділянки моделі складає більш 30 діаметрів. З моделі колектора рідина надходить у бак 3, на виході якого установлений водозлив для виміру об'ємної витрати рідини. З бака 4 відцентровим насосом 5 рідина повертається в бак 1. Конструкція стенда дозволяє змінювати кут? нахилу моделі колектора. 

 Розроблено ортогональні плани проведення експериментів. 

 У четвертому розділі для чисельного моделювання турбулентних течій розроблений алгоритм на основі кінцево-різницевого маршового методу, при якому параметри потоку визначаються в кожному наступному перетині в напрямку від вхідної ділянки. Кожен вузол пронумерований: і=1, N, так що вузлові і= N відповідає стінка каналу. Основна ідея алгоритму розрахунку осьової швидкості в (i + 1) перетині полягає у визначенні для i-го перетину складової рівняння руху, а потім в обчисленні значень швидкості відповідно до рівняння.

На стінці каналу враховувалася гранична умова «прилипання» середовища. 

Проведені серії експериментів з різними геометричними і