ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА

ТА АРХІТЕКТУРИ

ПРОГУЛЬНИЙ ВІКТОР ЙОСИПОВИЧ

УДК 628.16.067

ПОРИСТІ КОНСТРУКЦІЇ ВОДОПРОВІДНИХ СПОРУД,

ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК, ОПТИМІЗАЦІЯ

05.23.04 – Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

Офіційні опоненти:

Провідна установа

Захист відбудеться “16” травня 2007 р. о 1200 на засіданні спеціалізованої

вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

Автореферат розісланий “12” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор М.І. Колотило

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту поверхневих вод і погіршення їхніх якісних показників однієї з найбільш пріоритетних завдань держави є забезпечення населених пунктів високоякісною питною водою (Закон України “Про питну воду й питне водопостачання”). Це вимагає вдосконалювання систем водопостачання, підвищення ефективності й надійності їхньої роботи, які досягаються шляхом застосування новітніх енергозберігаючих технологій, матеріалів і конструкцій у комплексі водопровідних споруд. Найважливішим елементом цього комплексу є водозабірні й очисні споруди, від нормальної роботи яких залежить якість поданої води споживачам й економічні показники системи водопостачання.

Існуючі водозабірні споруди не завжди забезпечують свої захисні функції, у результаті чого в систему попадають різні наноси, сміття, шуга, молодь риби й т.п. Це, у свою чергу, збільшує грязьове навантаження на очисні споруди, знижує ефективність їхньої роботи, погіршує якість очищеної води.

У технологічних схемах водопровідних очисних споруд, що забезпечують господарсько-питне водопостачання населених пунктів, обов'язковим елементом є швидкі фільтри, робота яких значною мірою визначає якість води, корисну продуктивність станції й економічні її показники. Одними з основних конструктивних елементів швидких водоочисних фільтрів є дренажно-розподільні системи й пристрої відводу промивної води. Незадовільна робота дренажів приводить до нерівномірного розподілу по площі потоків промивної води, у результаті чого фільтруюче завантаження погано промивається, виникають зони нагромадження забруднень, погіршуються параметри фільтрування, якість фільтрату.

Більшість з існуючих систем відводу промивної води (горизонтальні жолоби, водозливи й т.п.) також мають ряд недоліків: нерівномірний відвід води при промиванні, винос завантаження, значна висота шару води, що залишається у фільтрі після промивання. Це приводить до погіршення якості фільтрату на початку фільтроциклу. Неповне видалення забрудненої води при промиванні приводить до систематичного нагромадження забруднень на поверхні фільтруючого шару. При цьому скорочується фільтроцикл, збільшуються витрати води на власні потреби очисної станції й, відповідно, витрати, пов'язані з подачею додаткового обсягу води (електроенергія, реагенти й т.п.).

Удосконалення конструктивних параметрів дренажно-розподільних систем, застосування пористих матеріалів у пристроях відводу промивної води зі швидких фільтрів, розробка методик їхнього гідравлічного розрахунку й оптимізації, багато в чому дозволять вирішити поставлені проблеми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана із пріоритетними напрямками розвитку науки й техніки на період до 2006 року, визначеними в Законі України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки”, п.3 “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток” і п.6 “Новітні технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі”. Крім того, робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Одеської державної академії будівництва і архітектури “Пористі конструкції для водопровідних очисних споруд” (№ держ. реєстрації 0104 U 007334).

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні й розробці нових і більш досконалих пористих конструкцій споруд водопостачання, у тому числі дренажно-розподільних і відвідних систем фільтрів, методів гідравлічного розрахунку для забезпечення їх ефективної і надійної роботи.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні завдання:

· провести теоретичне й експериментальне обґрунтування доцільності застосування пористих конструкцій на водопровідних спорудах;

· вивчити та проаналізувати відомі конструкції дренажів і систем відводу промивної води зі швидких фільтрів, виявити їх основні недоліки та запропонувати рішення для підвищення їх ефективності і надійності;

· на основі теоретичного аналізу розробити нові конструкції дренажно-розподільних і відвідних систем у фільтрувальних спорудах;

· використовуючи основні існуючі моделі руху рідини в збірно-розподільних системах зі змінною витратою по довжині, побудувати більш надійну і загальну математичну модель руху рідини з мінімальним числом спрощень;

· побудувати математичні моделі полімербетонного дренажу з розподільними лотками змінного перетину й пористих трубчастих пристроїв для відводу промивної води, що працюють в умовах безнапірного й напірного режимів зі змінною витратою по довжині;

· розробити більш досконалі і надійні методи розрахунку трубчастих збірно-розподільних систем, а також відкритих потоків правильної й довільної форм поперечного перерізу;

· провести оцінку і порівняння результатів розрахунку пористих труб з дослідними даними;

· створити надійні методи по вибору технологічних та конструктивних параметрів полімербетонного дренажу й пористих труб відводу промивної води;

· провести дослідно-виробничу апробацію розроблених конструкцій і розрахункових рекомендацій;

· підготувати пропозиції для проектування, монтажу й експлуатації трубчастих відвідних систем.

Об'єкт досліджень – дренажно-розподільні і відвідні системи швидких водоочисних фільтрів і фільтрів водопідготовки.

Предмет досліджень – конструкції пористих дренажів і трубчастих відвідних систем, їх наукове обґрунтування і методи розрахунку.

Методи досліджень. Поставлені завдання вирішувалися методами математичного моделювання процесів руху рідини в дренажно-розподільній системі і пористій відвідній трубі. Експериментальні дослідження використовувалися для обґрунтування пропонованих пористих пристроїв, різних констант і коефіцієнтів математичних моделей і розроблених методів розрахунку. Надійність результатів досліджень перевірялася методами математичної статистики шляхом зіставлення з результатами лабораторних експериментів і натурних спостережень.

Наукова новизна отриманих результатів:

· теоретично й експериментально обґрунтовано застосування пористих конструкцій на водопровідних очисних спорудах;

· на підставі узагальнення теоретичних й експериментальних даних отримані нові наукові й практичні результати, які сприяли створенню більш надійних і досконалих пористих конструкцій дренажно-розподільних і відвідних систем фільтрувальних споруд, підвищенню їхньої ефективності й надійності;

· створено більш загальні математичні моделі роботи пористих збірно-розподільних систем фільтрувальних споруд, на основі використання рівнянь руху рідини зі змінною по довжині витратою і фільтрації через пористу стінку;

· на основі теоретичних досліджень розроблені чисельні методи розрахунку пористих конструкцій водопровідних споруд, відкритих потоків правильної й довільної форм поперечного перерізу, а також аналітичні розрахункові залежності;

· теоретично обґрунтована й розроблена методика визначення раціональних розмірів пористих відвідних труб шляхом мінімізації приведених затрат, а також конструктивних параметрів дренажів водоочисних фільтрів і з залученням чисельних розрахунків і даних лабораторних досліджень, при проведення яких використовувались відомі методи планування і обробки експериментів.

Практичне значення отриманих результатів.

· Вдосконалені конструктивні параметри полімербетонного дренажу й розроблені нові пористі пристрої для відводу промивної води з відкритих і напірних фільтрів, що підвищують ефективність і надійність їх роботи.

· На основі чисельних методів розрахунку запропоновані алгоритми і програми розрахунку параметрів пористих дренажних і відвідних систем швидких фільтрів, акі також дозволяють визначати критичну й нормальну глибину води в потоках як правильної, так і довільної форм.

· Пористі труби для відводу промивної води впроваджені на 15 діючих швидких фільтрах Інгулецьких очисних споруд м. Миколаєва (загальна площа реконструйованих фільтрів склала 610м2). В результаті впровадження зменшилось вимивання завантаження, покращився відвід води із фільтрів, ліквідовані грязьові скупчення на поверхні завантаження, скоротилася витрата промивної води. За рахунок цього корисна продуктивність фільтрів збільшилася приблизно на 8%. Економічний ефект склав 1,69 тис. грн. на 1 м2 корисної площі фільтра.

· Впровадження пористих труб для відводу промивної води на 4 напірних іонообмінних фільтрах водопідготовки Одеського лікеро-горілчаного заводу дозволило різко скоротити вимивання дорогого катіонітового завантаження. Розрахунковий економічний ефект від впровадження склав 950 грн/м2, термін окупності пористої відвідної системи склав 0,25 року.

· Пористі труби для відводу води в 8 напірних фільтрах водопідготовки плавального басейну Одеської національної морської академії показали надійну роботу протягом тривалого часу й дозволили значно скоротити вимивання фільтруючого матеріалу.

· Для впровадження в проектну й виробничу практику запропонованих конструкцій розроблені рекомендації для проектування, монтажу й експлуатації трубчастих відвідних систем, що включають досить прості у використанні комп'ютерні програми гідравлічного розрахунку і можливості для оптимізації. Ці рекомендації передані в проектний інститут “Одесакомунпроект”.

· Результати проведених досліджень включені в курс лекцій по дисципліні “Інтенсифікація водопровідних споруд” і навчальний посібник “Очищення природних вод” для студентів, що навчаються за фахом “Водопостачання і водовідведення”.

Особистий внесок автора. Основні наукові ідеї й положення теоретичних й експериментальних досліджень розроблені й сформульовані автором особисто. Визначено основні напрямки досліджень з метою підвищення ефективності й надійності роботи фільтрувальних споруд. Автором виконані наукове обґрунтування й аналіз закономірностей руху рідини зі змінною витратою по шляху в збірно-розподільних системах водопровідних споруд, розроблена і вдосконалена конструкція полімербетонного дренажу з розподільними лотками змінного перетину й пористих трубчастих пристроїв відводу води, побудовані математичні моделі їх роботи, спосіб чисельного розрахунку конструктивних параметрів, розроблена методика проведення досліджень й обробки експериментального матеріалу. Лабораторні й промислові дослідження пористих труб проводилися разом з аспірантом Тельпісом В.С. Теоретичні узагальнення, висновки, рекомендації виконані безпосередньо автором. Ідеї співавторів наукових праць у дисертаційній роботі не використовувалися.

У працях, опублікованих за результатами дисертаційної роботи в співавторстві, особистий внесок автора полягає в наступному: у роботах [13, 17, 25, 27] виконено критичний аналіз існуючих конструкцій і розробку пористих конструкцій відводу промивної води, у роботі [14] розроблені методики техніко-економічних розрахунків на вибір варіанта пористих пристроїв, у [15] – одержані основні залежності притоку води через стінку пористої труби. У роботі [16] отримано алгоритм розрахунку пористих труб відводу промивної води, у роботах [18, 19, 20, 22, 29] автором виконані розрахунки по наведених методиках, у [21] - теоретично обґрунтовано застосування пористих конструкцій на водопровідних спорудах і сформульована постановка завдання досліджень. У роботі [23] наведено опис пористих конструкцій відводу промивної води, у [24] автором сформульовані методи інтенсифікаціїї фільтрувальних споруд та принципи роботи пористих конструкцій відводу промивної води, у роботі [26] наведені дані з експлуатації дренажів швидких фільтрів, у [28] – написано розділи 1, 4, 10. У винаходах [32.33] особистий внесок автора полягає в розробці конструкцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи й головні положення дисертації доповідалися автором на міжнародних науково-технічних конференціях ХНАМГ (Харків, 2002р.), ХДТУБА (Харків, 2006р.), КНУБА (Київ, 2006р.), ОДАБА, (Одеса, 2001-2006р.р..), республіканській нараді “Реформування водопровідно-каналізаційного господарства” (Одеса, 2003р.), міжнародних конгресах ЕТЕВК (Ялта, 1997, 2005р.р..), ЭКВАТЕК (Москва, 1996, 2004р.р.).

Публікації. Основний зміст дисертації представлений в 33 друкованих працях, в тому числі 21 - в спеціалізованих виданнях, 14 написані одноосібно, одержані два патенти на винаходи.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 302 найменувань, 4 додатків. Робота представлена на 285 сторінках основного тексту, включає 38 таблиць, 113 рисунків, усього 348 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, показані її наукова новизна й практична цінність, сформульовані мета і задачі досліджень, показано зв'язок з іншими науковими програмами і планами.

У першому розділі зроблений аналіз відомих конструкцій, застосовуваних у збірно-розподільних системах водопровідних споруд. Ці системи безпосередньо не беруть участь у процесах очищення води, однак від їхньої роботи істотно залежить ефективність очищення. Збір і розподіл води у водопровідних спорудах можуть здійснюватися переливними лотками, перфорованими збірниками, сітчастими й пористими конструкціями. При достатній простоті й низькій вартості переливні конструкції не завжди забезпечують необхідну рівномірність збору або розподілу води через складність забезпечення горизонтальності верхніх крайок переливів. Перфоровані збірники (розподільники) при правильному їхньому розрахунку й високій якості виготовлення забезпечують задовільну рівномірність розподілу (збору) води. Однак такі системи мають принциповий недолік - роздача (збір) тут дискретна. Тому в проміжках між отворами (особливо при великому їхньому кроці) можуть з'явитися зони, у яких швидкості руху води значно менші (“мертві” зони), що негативно позначається на роботі споруд. Крім того, високі швидкості входу (виходу) води впливають на транзитний потік, збільшуючи опір його руху, і погіршують рівномірність збору (роздачі).

Пористі й сітчасті конструкції забезпечують безперервну роздачу або збір води. Вони широко використовуються на водопровідних очисних спорудах - це барабанні сітки й мікрофільтри, пористі дренажі й системи відводу промивної води зі швидких водоочисних фільтрів. Порівняння сітчастих і пористих конструкцій показало, що сітчасті пристрої мають ряд недоліків, головними з яких є: висока ймовірність механічного заклинювання прохідних отворів сітки частками піску або забрудненнями, викликана пружною деформацією дроту, з якої виготовлена сітка; прорив сітки через нагромадження великої кількості забруднень на її поверхні; дорожнеча металевих сіток.

У практиці очищення природних вод і водопідготовки широке застосування знайшли швидкі відкриті й напірні фільтри. Важливими елементами цих споруд є дренажно-розподільні системи й пристрої відводу промивної води, від надійної роботи яких багато в чому залежить ефективність і собівартість очищення води. Сформульовані вимоги, що пред’являють до цих систем. Показано, що найпоширеніші сучасні конструкції дренажів і відводу промивної води багато в чому не відповідають цим вимогам - не забезпечується задане поле швидкостей при промиванні й фільтруванні, рівномірність збору промивної води, відбувається віднесення фільтруючого матеріалу й т.п. Проведена порівняльна оцінка пористих дренажів швидких фільтрів. Багаторічний досвід експлуатації полімербетонного дренажу ОДАБА у швидких і напірних фільтрах показав надійну роботу, однак одним з його основних недоліків є недостатньо рівномірний розподіл промивної води по довжині пористого лотка.

Відомі пористі відвідні конструкції частково вирішують поставлені задачі, однак, як показали дослідження, вони можуть бути істотно вдосконалені. Перспективним матеріалом, використовуваним у пористих конструкціях водопровідних споруд, є пористий полімербетон, що володіє: високою стійкістю до агресивного впливу води, обробленої реагентами; низьким гідравлічним опором; стійкістю до біологічного обростання.

Розроблені нові пристрої для збору й відводу промивної води з відкритих швидких фільтрів, що представляють собою пористі труби, виконані з пористого полімербетону, а також три варіанти конструкцій для напірних фільтрів. Обґрунтовано доцільність застосування труб і показані їхні переваги в порівнянні з плоскими пористими конструкціями. Пропоновані конструкції можуть бути реалізовані як у новому будівництві, так і при реконструкції існуючих споруд. Вони застосовні для будь-яких фільтруючих матеріалів, а також будь-яких способів промивань, у т.ч. і водоповітряної без небезпеки виносу завантаження.

Система відводу промивної води з фільтра за допомогою пористих труб при правильному підборі складу полімербетону дозволяє істотно знизити винос фільтруючого завантаження. При цьому повністю видаляються затримані фільтром забруднення, а також дрібні пилоподібні частинки завантаження, що утворяться в результаті стирання. При необхідності можна збільшити інтенсивність промивання. Використання цих конструкцій дозволяє поліпшити технологію очищення води у швидких фільтрах. Так, з'являється можливість використовування легких завантажень (керамзит, антрацит) при водоповітряному промиванні.

Проведено теоретичний аналіз причин нерівномірності розподілу промивної води по площі фільтра. У полімербетонному дренажі для зниження нерівномірності розподілу води, запропоновано пористий лоток виконувати змінного перерізу з ухилом дна убік збірного каналу. Це дозволить вирівняти поле тисків по довжині лотка й поліпшити рівномірність роздачі води.

Встановлено, що одним з головних питань, які виникають при розгляді можливості застосування пористих пристроїв на водопровідних спорудах, є їх кольматація суспензією й зернами піску. Цими задачами займалися Е.В. Венеціанов, М.М. Верігін, С.В. Ізбаш, Д.М. Мінц, О.Я. Олійник, В.Л. Поляков, О.М. Патрашев, А.М. Тугай, Ю.М. Шехтман та ін.

Виконано порівняння діаметра порових каналів пористого полімербетону та розміру комірок сітки, що забезпечують непроникання часток завантаження крупністю 0,5 мм, (мінімальна крупність завантаження, яка найбільш часто використовується у фільтрувальних спорудах). Зроблено припущення про те, що діаметр пор заповнювача, який не допускає проникнення часток завантаження, може бути більше їх крупності, а розміри комірок сітки, у відповідності з БНіП, повинні бути менше їх крупності. Крім того, у сітчастих конструкціях через пружну деформацію дроту, що утворює сітку, ступінь кольматації, ймовірно, буде більшою. Однак це припущення вимагає експериментального підтвердження.

У другому розділі проведений критичний аналіз теоретичних досліджень і методів розрахунку збірно-розподільних перфорованих трубопроводів і відкритих каналів зі змінною витратою по довжині. Основоположником теорії руху тіла зі змінною масою є І.В. Мещерський. Цьому питанню присвячені численні дослідження М.Г. Малішевського, В.Н. Євреінова, Д.М. Мінца, Я.Т. Ненько, І.М. Коновалова, О.І.Єгорова, Г.О. Петрова, П.О. Грабовського, В.Н. Талієва,

І.Е. Ідельчика, В.В. Дільмана, В.В. Смислова, О.А. Василенко, А.М. Кравчука, і багатьох інших. Різниця у висновках отриманих ними рівнянь полягає в тому, що одні автори використали рівняння кількості руху, інші - рівняння енергії. Для одержання аналітичних рішень цими авторами було використано ряд допущень, які дозволяли одержувати аналітичні рішення та наближені методики розрахунків. В одних роботах задавався закон зміни припливу (відтоку) по довжині, в інших зневажали втратами напору на тертя.

Для подальшої розробки математичних моделей роботи пористих розподільних систем розглянуто два основних рівняння руху рідини зі змінною витратою по довжині - рівняння Г.О. Петрова та В.В. Дільмана, у яких використаний мінімум допущень, а результати перевірені експериментально.

Рівняння Г.О. Петрова, отримане з рівняння кількості руху -

або, оскільки

(1)

Рівняння, отримане В.В. Дільманом та ін., що базується на рівнянні енергії, має вигляд

(2)

де бо - коефіцієнт Бусінеска; Q - витрата; V – швидкість потоку; Р – п’єзометричний тиск у трубі; Z – відмітка осі труби; if – гідравлічний похил (похил тертя); Vr - радіальна швидкість потоку, що відокремлюється; л - коефіцієнт Дарсі; и - відношення проекції швидкості потоку, що приєднується (відокремлюється) на напрямок основного потоку до швидкості основного потоку. Як показали дослідження А. І. Єгорова при роздачі потоку затопленими патрубками при довжині, більшої 1,36 калібру отвору, струмені, що витікають, перпендикулярні основному потоку. Тому величина и може дорівнювати нулю. Аналогічне припущення прийняте й у даній роботі, оскільки відношення товщини пористої перегородки до діаметра порового каналу значно більше.

Проведено аналіз і зіставлення рівнянь (1) і (2) для збірних пористих труб, що працюють у напірному й безнапірному режимах. Показано, що методика, заснована на рівнянні енергії, краще відповідає дослідницьким даним, ніж при використанні рівняння кількості руху.

Розглянуто роботу розподільників з дискретною роздачею. Відзначено, що існуючі методи розрахунку з дискретною роздачею засновані на закономірностях безперервної роздачі з введенням коефіцієнтів, що залежать від числа отворів, а також на припущенні про сталість коефіцієнта Дарсі.

Розглянуто основні принципи розрахунку збірно-розподільних систем з використанням ПЕОМ на прикладі трубопроводів з безперервною та дискретною зміною витрат. Основні рівняння для розрахунку - це рівняння руху рідини в трубі, балансу витрати, а також припливу (відтоку) через стінку труби. Ці рівняння в кінцево-різницевій формі можна записати у вигляді функцій.

Рівняння руху -

(3)

де Дh – перепад рівнів (тисків) у трубі на ділянці довжиною Дx; Q – витрата потоку в трубі на відстані х від початку; w - площа живого перерізу потоку, змінна по довжині у випадку безнапірного руху й постійна при напірному потоці.

Рівняння балансу -

(4)

де q – приплив (відтік) на одиницю довжини потоку (знак у цьому рівнянні визначається залежно від режиму роботи трубопроводу – збір або роздача).

Рівняння припливу (відтоку) -

(5)

де h, H– рівень (тиск) усередині та зовні труби.

На підставі рівнянь (3)-(5) розроблені методики покрокового та покроково-ітераційного розрахунку збірно-розподільних систем, які реалізовані за допомогою ПЕОМ із використанням стандартної програми Microsoft Excel. Створені методики чисельного розрахунку використані й для рішення класичних задач гідравліки - визначення критичної та нормальної глибини потоку в трубах і відкритих потоках правильної та довільної форм поперечного перерізу.

Третій розділ присвячений створенню математичної моделі роботи пористої труби в умовах безнапірного й напірного руху рідини та інженерної методики її розрахунку. Розглянуто пористу трубу (рис. 1) постійним радіусом R, що прокладена з похилом i0 по ходу руху потоку усередині труби. Глибина цього потоку (h) змінюється по довжині, рівень води зовні труби (Н) – постійний. Вода проникає крізь пористі стінки труби як в області нижче рівня води в трубі (z ? h), де питомий приплив - q1 , так і в області над рівнем води в трубі - приплив q2.

Математична модель роботи пористої труби визначається основними рівняннями:

1) припливом води крізь стінки,

2) руху рідини усередині труби,

3) рівняння балансу.

Складність опису роботи пористої труби обумовлена тим, що витрата рідини крізь стінки труби залежить від глибини шару води в трубі (h), обумовленого рівнянням руху усередині труби. Аналогічно, закон зміни глибини h(x) визначається, зокрема, закономірностями припливу.

Втрати напору при припливі води крізь стінку пористої труби в даній роботі описані одночленною степеневою формулою, більш зручною для інженерних розрахунків, і обґрунтованою експериментально -

, (6)

де Дh - втрата напору в пористій перегородці, см; дп - товщина перегородки, см; х - кінематична в'язкість води, см2/с; Vf - швидкість фільтрування, см/с; С - коефіцієнт, що залежить від гранулометричного складу заповнювача полімербетону і ступеня щільності його укладання (у випадку фільтрування забрудненої води коефіцієнт С враховує також кольматацію пор зваженими частками); n - показник ступеня, який можна приймати рівним 1,67 (при числах Рейнольдса Re=15-200). Формула (6) дійсна при русі води через плоску пористу перегородку. При припливі води крізь циліндричну стінку повинна бути врахована поправка на кривизну стінки. Цей поправочний коефіцієнт був отриманий, виходячи із припущення, що вода крізь стінку пористої труби рухається радіально. Таким чином, втрата напору в стінці труби дорівнює

де Kд - поправочний коефіцієнт; Дho -втрата напору в “розгорнутій” плоскій стінці, довжина якої дорівнює периметру труби, підрахованому по внутрішньому радіусі R; дп/R - відносна товщина стінки.

Приплив води на одиницю довжини пористої труби q визначається як добуток швидкості фільтрування V на довжину бічної поверхні труби S. Однак, як видно з рис. 1, напір, під яким відбувається вхід води в трубу, по висоті змінний (при Z > h). Отже, буде змінюватися й швидкість фільтрування. Тому необхідно перейти до диференціальних співвідношень:

де V (z) обчислюється з формули (6), у якій втрата напору величина змінна по висоті і визначається як різниця тисків поза трубою та усередині її:

Таким чином, при z ? h втрата напору та швидкість фільтрування постійні, а при z > h - втрата напору та швидкість зменшуються по висоті.

В результаті були отримані залежності для припливу води в безнапірну трубу -

(7)

де ; ; - комплексний коефіцієнт, що враховує властивості пористого полімербетону, фільтруючої води та кривизну стінки. У випадку якщо рівень води зовні нижче верху труби (тобто <2), то верхня межа другого інтеграла в (7) заміняється на . Перший інтеграл виражається аналітично, а другий не може бути виражений у квадратурах. Тому розрахунок зроблений чисельно за допомогою ПЕОМ. Розрахунки виконувалися при варіюванні від 0 до 2,0 і - від 0 до 4,0, при цьому крок інтегрування підбирався так, щоб похибка кінцевого результату була в допустимих межах. Щоб спростити наступні розрахунки, отримана наближена аналітична залежність, що зв'язує , і

. (8)

Пошук емпіричних коефіцієнтів a3, б і в був зроблений методом найменших квадратів з використанням множинної регресії. В результаті були знайдені всі емпіричні коефіцієнти й отримана формула,

, (9)

Для припливу через стінку пористої труби при напірному русі рідини отримано

(10)

Як основне рівняння руху рідини зі змінною по шляху витратою використовується рівняння (2), яке при и=0 приймає вигляд

(11)

Крайовими умовами для рівняння (11) є:

при x=0 (початок труби) Q=0; при х=L (на виході із труби) Q =Qо, h=hо. (12)

Кінцева витрата Qо задана необхідною витратою збірної труби, а п’єзометричний тиск наприкінці (hо) визначається пропускною здатністю відвідної системи при витраті Qо. Таким чином, система рівнянь (9) - (11) із крайовими умовами (12) можна вважати математичною моделлю роботи пористої труби.

Для рішення отриманої системи рівнянь в дисертації використана покроково-ітераційна методика розрахунку, що з досить високою точністю дозволяє одержати необхідні гідравлічні параметри пористої труби - приплив, рівень води усередині й зовні труби і т.п.

Отримана математична модель пористої безнапірної труби та розроблений метод чисельної реалізації дозволили аналізувати її роботу залежно від основних параметрів труби і потоку. Розрахунки проводилися для збірної системи реальних розмірів, що відповідає параметрам пористої труби швидких фільтрів Інгулецьких водоочисних споруд м. Миколаєва. Як вихідні параметри у всіх випадках приймалися величини: глибина потоку зовні труби – Н, глибина потоку в трубі в початковому перерізі – hн, нерівномірність збору промивної води в, обумовлена як відношення припливу на початку труби до середнього припливу – в = qн/qср. Вивчався вплив на вихідні параметри наступних факторів, що варіювались у межах: крок рахунку Дх/Lтр=0,01-0,2; шорсткість внутрішньої поверхні n1=0,012-0,016; коефіцієнт С=2-6; похил труби io=0–0.03; радіус труби R=17-25 cм; температура води tо=0-25оС. Встановлено, що в дослідженому діапазоні крок рахунку, шорсткість внутрішньої поверхні та температура води незначно впливають на вихідні параметри труби. Похил труби мало впливає на глибину Н зовні труби, однак помітно впливає на глибину усередині труби h і на нерівномірність збору води в. Радіус труби значно впливає на всі параметри роботи збірної труби. При цьому зі збільшенням радіуса труби глибини усередині й зовні знижуються, а нерівномірність прагне до 1,0. На рис. 2 ілюструється вплив коефіцієнта опору С на роботу пористої збірної труби.

З представленого графіка видно, що опір пористої стінки практично не впливає на глибину потоку в трубі, але сильно впливає на глибину потоку зовні труби (Н) і нерівномірність збору води.

При рості коефіцієнта С величина Н, збільшується, а значення в росте (в>1), тобто збір води стає більше рівномірним. Це цілком відповідає фізичним уявленням про процес.

Четвертий розділ присвячений розробці математичної моделі роботи полімербетонного дренажу. Схема швидкого фільтра з пористим дренажем лоткового типу (найпоширеніший варіант) наведена на рис. 3. Дренаж складається з опорних стінок, що утворюють лотки, які перекриті полімербетонними плитами. На вході в лотки є патрубки, опір яких забезпечує необхідну витрату на початку кожного лотка.

Одним з недоліків у роботі полімербетонного дренажу лоткового типу є можлива недостатня рівномірність розподілу промивної води по довжині розподільного лотка. Якщо в збірному каналі рівномірність роздачі води по лотках забезпечується патрубками великого опору з діафрагмами, то в самих лотках через різницю тисків на початку та кінці потоку і порівняно невеликого опору дренажних плит може виникати деяка нерівномірність. Для усунення цього недоліку запропоновано пористий розподільний лоток змінного перетину з похилом дна io убік збірного каналу.

Промивна вода уздовж лотка рухається з безперервною зміною витрати по довжині, а в бічному каналі - з дискретною зміною витратою від патрубка до патрубка. Відомі методи розрахунку таких дренажів засновані на ряді спрощень і допущень, необхідність введення яких обумовлена прагненням знизити трудомісткість розрахунків, які раніше, як правило, виконувалися вручну. Математично робота дренажу описується за допомогою трьох основних рівнянь: руху потоку в лотку (каналі), рівняння відтоку й рівняння балансу. Як показав аналіз, виконаний у розділі 2, для опису руху потоку доцільно використати рівняння п’єзометричної лінії, отриманої на основі рівняння енергії (2). Це рівняння, записане у кінцево- різницевій формі має вигляд:

(13)

де Дh – перепад напорів у межах ділянки довжиною Дx; бк - коефіцієнт Коріоліса; ДV2- різниця квадратів швидкостей на початку та кінці ділянки; if – гідравлічний похил (похил тертя). Гідравлічний похил визначається за допомогою коефіцієнта Дарсі, що обчислюється по формулі А. Д. Альтшуля, у яку введено коефіцієнт, який враховує форму поперечного перерізу потоку (для круглої труби цей коефіцієнт дорівнює 1,0). Для опису витікання води з лотка (каналу) використовуються степеневі рівняння.

При русі рідини через пористу стінку можна скористатися рівнянням (6). Для випадку дискретної роздачі, коли вода витікає через патрубки, витрата визначається за стандартною формулою –

hп= Sпq2, (14)

де Sп – опір патрубка.

Замикає систему рівняння балансу -

ДQ= qДх. (15)

Отримані рівняння вирішуються при крайових умовах:

x=0, Q=Qло для лотка або Q=Qр для каналу; х = хк, Q=0 (16)

(хк – довжина лотка або каналу).

Система рівнянь (6), (13)–(15) із крайовими умовами (16) є математичною моделлю пористого полімербетонного дренажу. Ця модель була реалізована за допомогою спеціально розробленої програми додатку Microsoft Excel. При цьому для спрощення рішення ця крайова задача була зведена до значно більш простоі відомої задачі Коші. Для цього на початку потоку для роздачі води лотком задавалось наближене значення напору, що дозволяло коректувати крайову умову наприкінці потоку (Q=0). Процедура ця була автоматизована застосуванням макросів. Розрахунки виконували покроково-ітераційним методом. Аналогічно робили розрахунок для каналу, однак тут рахунок починався з кінця каналу, а оскільки роздача тут дискретна, використовувся покроковий метод (ітерації тут не потрібні). Створена методика розрахунку дренажу, дозволяє робити розрахунок лотка, каналу, патрубків і загальної нерівномірності опору дренажу. За допомогою отриманої математичної моделі та розроблених методів розрахунку було зроблено чисельне дослідження моделі на фільтрі реальних розмірів. Вивчався вплив на напір на початку лотка Hлo і нерівномірність розподілу витрат по довжині лотка наступних параметрів: відносного кроку рахунку Дx/xк =0,01-0,1; шорсткості n1 = 0-6 мм; коефіцієнта С =0,5-2,0; інтенсивності промивання Vпр= 12-18 л/(с• м2); похилу дна лотка io = 0 – 0,07. Як показали розрахунки, крок рахунку при Дx/xк?0,1 практично не впливає на результати, аналогічні результати були отримані і при варіюванні шорсткості (n1?6мм) та інтенсивності промивання. Збільшення коефіцієнта С, що відповідає росту опору дренажних пористих плит, приводить до невеликого росту напору на початку лотка, а також до прагнення в до 1,0 (роздача більше рівномірна), що цілком відповідає фізичним уявленням про процес. На рис. 4 показаний вплив похилу дна лотка.

Як видно з рис. 4, зі збільшенням io напір на початку лотка практично не змінюється, однак, як і передбачалося, роздача стає більш рівномірною.

У п'ятому розділі описані експериментальні дослідження, проведені в лабораторних умовах, і наведені результати дослідів.

Експериментальне вивчення руху рідини через пористий полімербетон було розділено на чотири основних етапи:

1) дослідження гідравлічних характеристик пористого полімербетону на невеликих зразках і вибір залежності втрат напору від швидкості фільтрування;

2) порівняльна оцінка ступеня кольматації пористого полімербетону і сітки з піском в умовах псевдозрідженого шару;

3) дослідження закономірностей руху рідини в пористій трубі з метою вибору основного рівняння руху;

4) вивчення закономірностей збору й відводу води пористою полімербетонною трубою для перевірки математичної моделі та методики розрахунку.

У першій серії дослідів, проведених на лабораторній установці №1, у напірному режимі одержували гідравлічні характеристики пористих полімербетонних зразків, крупність заповнювача яких варіювалася від 2,5 до 10 мм. Швидкість фільтрування змінювали від 3 до 25 см/с, що відповідало діапазону чисел Рейнольдса Re = 100 - 1400. Було проведено зіставлення двох залежностей втрат напору від швидкості фільтрування - двочленної та одночленної степеневої. Остання формула є більше зручною при виконанні інженерних розрахунків, тому що тут при постійному показнику ступеня при Vf (див. (6)) необхідно визначати тільки один коефіцієнт на відміну від двочленної формули, де невідомими є два коефіцієнти. Обробка отриманих даних дозволила встановити, що в досліджуваному діапазоні залежність втрат напору від швидкості фільтрування цілком задовільно описується степеневою формулою (6) при показнику ступеня n=1,67. Визначені також коефіцієнти гідравлічного опору С у залежності від крупності зерен заповнювача. Відносне середньоквадратичне відхилення дослідних даних від формули (6) не перевищує 2%.

Ступінь кольматації пористого полімербетону і сітки піском досліджували на лабораторній установці №2, що складається із труби діаметром 50 мм, висотою 300 мм. Установка була завантажена кварцевим піском крупністю 0,5-1,6 мм, у нижній її частині змонтований дренажний диск із пористого полімербетону. Бічна поверхня установки обладнана оглядовим вікном зі склом для спостереження за рівнем завантаження. Подача води здійснювалася знизу-вверх з інтенсивністю 15 л/(с•м2), при цьому завантаження зважувалося і випробовуваний зразок повністю перебував у зваженому шарі. Відвід води здійснювався через зразки на дрібне сито, що дозволяло контролювати кількість піску, що пройшло крізь них. Випробовувані зразки виготовляли в металевій обоймі діаметром 40 мм, довжиною 50 мм у двох варіантах: у першому - з пористого полімербетону крупністю заповнювача 3 - 5 мм, товщиною 25 мм, у другому - з металевої сітки з розмірами комірок 0,45 мм, товщиною дроту 0,16 мм. Розміри комірок і товщина дроту визначена шляхом сканування зображення сітки й наступної обробки. Швидкість фільтрування води через зразки підтримувалася в діапазоні 2,7 - 3,0 см/с.

На рис. 5 показана зміна втрат напору в пористому полімербетоні і сітці залежно від обсягу профільтрованої води при швидкості фільтрування 2,7 см/с.

Як видно з графіка, втрата напору в полімербетоні при фільтруванні в умовах псевдозрідженого шару приблизно в чотири рази менше, ніж у сітці, а при візуальному спостереженні встановлено, що відбувається заклинювання комірок сітки частками піску. Це підтверджує переваги пористого полімербетону.

Завданням наступної серії дослідів було лабораторне дослідження руху рідини в пористій трубі і зіставлення його з результатами розрахунків, виконаних з використанням рівнянь кількості руху (1) і енергії (2). Експерименти проводили на лабораторній установці №3, що представляє собою бак висотою 2 м, діаметром 1,2 м, у якому була встановлена пориста полімербетонна труба зовнішнім діаметром 150 мм, довжиною 1000 мм, товщиною стінки 20 мм, крупністю заповнювача 3–5 мм. У трубі з кроком 200 мм були встановлені 5 п’єзометрів для виміру глибини потоку по довжині усередині труби. У процесі експериментів міняли загальну витрату, похил труби (io=0 – 0,02) і рівень води на виході із труби. Результати розрахунків і дослідні дані по глибині води в трубі для витрати 6,8 л/с та похилу 0,02 наведені на рис.6.

Суцільна лінія на цьому рисунку відповідає рівнянню (1) (розрахунок 0), а пунктирна - рівнянню (2) (розрахунок 1). Тут видно, що пєзометрична лінія по другому рівнянню лежить

набагато ближче до дослідних даних, ніж по рівнянню (1). Аналогічні дані отримані і в інших дослідах.

Вивчення закономірностей збору й відводу води пористою полімербетонною трубою проводили також на лабораторній установці №3. У процесі експериментів визначали глибину потоку води усередині пористої труби та шар води зовні залежно від величини поданої витрати і

похилу труби та порівнювали з результатами розрахунку. Розрахунки виконувалися покроково-ітераційним способом за методикою, одержаною на основі рівнянні руху (2).

На рис. 7 представлений графік залежності висоти шару води зовні пористої труби Н від витрати Q, а на рис. 8 - зміна глибини потоку у трубі по ії довжині.

Аналіз графіків показує добру відповідність дослідних даних (крапки) і результатів розрахунку (пряма лінія) - відхилення дослідних і розрахункових значень не перевищує 2%. Це

дозволяє зробити висновок, що розроблена математична модель роботи пористої труби в безнапірному й напірному режимах, а також методи її розрахунку є достовірними, і можуть бути використані для інженерних розрахунків.

У шостому розділі розглядаються питання можливої оптимізації по вибору параметрів пористих конструкцій відводу промивної води і полімербетонного дренажу швидких фільтрів. Задачі вибору типу конструкцій вирішуються шляхом техніко-економічного розрахунку. Існують різні підходи до економічної оцінки прийнятих технічних рішень - визначення витрат реального циклу, максимуму чистого дисконтованого доходу або інтегрального ефекту, що враховують інфляційні процеси, а також методика, заснована на визначенні мінімальної наведеної вартості. Проведено зіставлення методик і встановлено, що влаштування пористих конструкцій у швидких фільтрах відбувається, як правило, шляхом реконструкції діючих споруд протягом короткого терміну. Отже, інфляція коштів і фінансовий ризик від інвестицій у даний проект протягом строку реконструкції будуть незначні. Таким чином, у даній роботі для оптимізації пористих відвідних