POLLUTANTS’ CONCENTRATION INFLUENCE ON THE SHAPE OF AVERAGED TWO-PHASE FLOW VELOCITY DIAGRAM

Full Text

Поверхностные сточные воды с урбанизированных территорий содержат большое количество загрязняющих веществ в виде твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии [1]. Такие потоки называют двухфазными. В случае если транспортирующая способность потока в данный момент времени меньше расхода твердого стока, то происходит осаждение частиц и их накопление на дне коллектора, в противном случае происходит отрыв частиц от дна трубы и их взвешивание, наблюдается эрозия слоя отложений. Обычно водоотводящая сеть проектируется как система самотечных трубопроводов, прокладываемых с максимальным использованием существующего уклона поверхности городских территорий при условии, что обеспечивается транспорт по трубопроводам всех загрязнений, поступающих с водосбора. При этом предполагается, что в коллекторе на определенное время, при минимальных расходах поверхностного стока, могут накапливаться загрязнения, которые затем с увеличением расхода и скорости течения воды взвешиваются потоком и перемещаются на нижележащие участки сети. Скорость, при которой происходит самоочищение трубопроводов, называется «самоочищающей» это минимальная расчетная средняя скорость потока, при которой происходит отрыв частиц, выпавших в осадок, от дна и их дальнейшее перемещение потоком. Под минимальной, в данном случае, понимают минимальную среднюю скорость потока, так как движение потока жидкости в водоотводящем коллекторе при наличии отложений на дне всегда неравномерное [2] (рис. 1). Таким образом, дождевые сети водоотведения должны проектироваться с уклоном, обеспечивающим их периодическое самоочищение при определенном расходе. Несмотря на то, что при проектировании и строительстве новых систем водоотведения эти нормы практически всегда выполняются, очень часто наблюдается заиление сетей в результате выпадения осадка, что приводит к снижению пропускной способности трубопроводов, а иногда и к их полной закупорке, если не проводится их регулярная прочистка. В качестве такого отрицательного примера можно привести город Тольятти, в котором 26 июля Рис. 1. Изменение рельефа свободной поверхности потока при наличии отложений загрязнений на дне коллектора 2004 г. в результате ливня выпало 47,7 мм осадков (78 % от месячной нормы), что привело к затоплению обширной территории. Вместе с тем поверхностный сток Тольятти не отличается высокой концентрацией загрязняющих веществ [3]. Регулярная очистка сетей водоотведения от отложений грубодисперсных примесей затруднена и требует выделения значительных средств. Например, в 1979 г. муниципалитет города Тулузы вынужден был затратить на очистку 930 км ливневой канализации 7700 тыс. французских франков (около 1174 тыс. евро) [4]. Для того чтобы уменьшить количество транспортируемых потоком грубодисперсных примесей и увеличить его транспортирующую способность, предлагаются различные устройства. В Европе большоераспространение получили пескоулавливающие камеры, которые устраиваются в больших коллекторах (рис. 2). Они предназначены для улавливания загрязнений крупных фракций путем их осаждения в камере. После заполнения камеры осадок удаляется механическим или гидромеханическим путем. Исследования показали, что такие сооружения в первоначальный период их заполнения улавливают до 80 % транспортируемых потоком грубодисперсных примесей [5]. Устройство такой камеры вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление в сети водоотведения, что должно быть учтено в расчетах. Формулы для расчета хорошо известны в гидравлике (Борда, Идельчик и др.) и часто используются в математических моделях. Рис. 2. Пескоулавливающая камера до начала эксплуатации При использовании этих формул предполагается, что поток на входе и на выходе из сооружения равномерный, т. е. имеет одинаковую форму эпюры осредненных скоростей и, соответственно, одинаковую величину корректива кинетической энергии α, который также называют коэффициентом Кориолиса. Коэффициент Кориолиса в сетях водоотведения может быть определен по формуле [6]: 3 u dS S 1  m)3 осредненной скорости в створах перед камерой и после нее (рис. 3). α = 3 u ср S  1  3m . (1) Концентрация песка в потоке воды изменялась от 127 до 240 мг/л. Створы, в которых измерялись Считается, что при движении жидкости в прямолинейных трубах коэффициент Кориолиса мало отличается от единицы (α = 1,05….1,1) и не учитывается в расчетах, однако в безнапорных потоках, при небольших значениях гидравлического радиуса и наличии отложений в виде дюнно-грядовых форм на дне, коэффициент Кориолиса, подсчитанный по формуле (1), может быть равным 1,3 и более [7]. Мы считаем, что в случае гидравлического расчета устройств для улавливания грубодисперсных примесей (песка) необходимо учитывать изменение коэффициента Кориолиса на их входе и на выходе. Для доказательства этого предположения был проведен анализ распределения осредненных скоростей по глубине потока на входе и на выходе физической модели пескоулавливающей камеры. Экспериментальные исследования были выполнены в лаборатории кафедры гидравлики и гидротехнических сооружений Российского университета дружбы народов [8]. Исследования проводились в лотках со стеклянными стенками и шероховатым осредненные скорости, выбирались таким образом, чтобы исключить влияние циркуляционных течений, возникающих в камере и за ней. Измерения проводились микровертушкой. Всего было выполнено более 300 измерений. Глубина камеры не изменялась и была равна 8 см во всех экспериментах. Параметры потока приведены в табл. 1. В результате осаждения песка в камере увеличивалась транспортирующая способность потока за ней, что приводило к взвешиванию частиц песка и его перемещению потоком вниз по течению. Через определенное время дно лотка за камерой освобождалось полностью от отложений частиц песка, а глубина потока несколько увеличивалась. Для того чтобы сравнить полученные эпюры двухфазного потока с эпюрами однофазного потока, была проведена серия экспериментов на модели камеры при отсутствии частиц песка в потоке воды. Эпюры осредненных скоростей были приведены к дном. Размеры лотков: 8,00,250,3 м и 251,40,5 м. безразмерному виду u / u ср  f h / hср , что позвоПеред началом эксперимента дно лотков покрывалило выполнить сравнение результатов, полученных лось ровным слоем однородного песка диаметром для разных значений средних глубин hср и средних 0,35 мм. Уклон лотка меньшего размера можно было менять, для того чтобы установить равномерный режим движения потока по всей его длине. Равномерный режим в лотке большего размера достигался за счет тщательной планировки песчаного дна. После установления равномерного режима по всей длине лотка снималась секция, закрывавшая камеру, и проводились измерения продольной скоростей u ср . Результаты измерений приведены на рис. 4. Анализируя полученные результаты, мы пришли к выводу, что эпюры двухфазного потока при наличии отложений песка на дне лотка имеют более пологую форму, чем эпюры однофазного и двухфазного потоков в случае отсутствия отложений. Рис. 3. Схема экспериментальной установки Параметры потока и дна лотков при проведении лабораторных исследований Таблица 1 Параметры потока Однофазный поток Двухфазный поток Лоток с шероховатым дном(створы на входе в камеру и на выходе) Дно лоткабез отложений песка(створ за моделью камеры) Песчаное дно лотка(створы на входе в камеру и на выходе) № серии экспериментов № серии экспериментов № серии экспериментов 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 Средняя скорость, м/с 0,300,26 0,280,23 0,30,33 0,25 0,28 0,30 0,24 0,26 0,29 0,16 0,270,21 0,29 Глубина, м 0,04 0,06 0,08 0,04 0,06 0,08 0,04 0,06 0,08 0,04 0,06 0,08 Ширина, м 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 1,4 1,4 1,4 Число Re (103) 1210,4 16,813,8 2426,4 10 16,8 24 9,6 15,6 23,2 6,4 16,212,6 23,2 Рис. 4. Результаты измерения осредненных скоростей в лотках Математический анализ результатов экспериментов в лотках с отложениями песка на дне (рис. 5) показал, что изменение осредненной скорости по глубине потока может быть выражено логарифосновная часть песка осаждается в камере, показал, что эти эпюры имеют практически одинаковую форму (рис. 6), а изменение относительной осредненной скорости по глубине потока может быть выражеu ⎛ h ⎞ u ⎛ h ⎞ ⎜ ⎟ но функцией ⎜ ⎟ (R2 = 0,58). мической зависимостью  0,212 ln⎜ ⎟  1,18  0,07 ln⎜ ⎟  1,07 u ср ⎝ hср ⎠ u ср ⎝ hср ⎠ (достоверность аппроксимации R2 = 0,66. Большой разброс результатов измерений для лотка шириной b = 1,4 м связан с тем, что в лотке образовались дюнногрядовые формы отложений, что в значительной мере затруднило измерение скорости. Анализ эпюр осредненных скоростей для однофазного потока и двухфазного при условии, когда Полученный результат подтверждает известное утверждение, что при небольших концентрациях твердых частиц в потоке (менее 600 мг/л) влиянием концентрации загрязнений на форму эпюры осредненных скоростей стока можно пренебречь. Для того чтобы установить, насколько эпюры скорости, полученные в лабораторных условиях, соРис. 5. Результаты измерений осредненных скоростей в лотках при наличии отложений песка на дне Рис. 6. Изменение относительной осредненной скорости однофазного и двухфазного потоков в лотке при отсутствии отложений песка на дне ответствуют эпюрам, полученным в ходе измерений в реальных условиях системы водоотведения, мы выполнили анализ изменения осредненных скоростей по глубине коллекторов общесплавной канализации кости в общесплавных коллекторах при минимальном уровне сточных вод эпюра скорости изменяется по глубине по следующим логарифмическим u ⎛ h ⎞ ⎜ ⎟ , при в районе старой застройки г. Парижа. Измерения зависимостям:  0,434 ln⎜ ⎟  1,446 были проведены студентами Высшей инженерной школы Ecole des Ponts Paris Tech в 2000 г. [2]. Параu ср ⎝ hср ⎠ u ⎛ h ⎞ 2 ⎜ ⎟ , метры двухфазного потока в коллекторах приведены (h/hср) < 0,25 (R = 0,48) и  0,085 ln⎜ ⎟  1,09 в табл. 2. Результаты измерений были использованы для построения безразмерной эпюры осредненных скоростей (рис. 7). ср при (h/h ) > 0,25 (R2 = 0,6). u ср ⎝ hср ⎠ Анализ полученных данных показал, что в реальных условиях протекания двухфазной жидСравнение полученных эпюр осредненных скоростей для коллекторов общесплавной каналиРис. 7. Результаты измерения осредненных скоростей в коллекторах общесплавной канализации Парижа Параметры потока и состояние коллекторов в районе старой застройки Парижа Таблица 2 Параметры потока Коллекторы без отложений на дне Коллекторы с отложениями Риволи(03.03.2000) Риволи(15.03.2000) Вьей дю Тампль(29.03.2000) Сэнт-Жиль(22.08.2000)(3 створа) Риволи(29.08.2000)(2 створа) Средняя скорость, м/с 0,34 0,26 0,89 0,4 0,3 Глубина, м 0,30 0,24 0,20 0,29 0,39 Ширина, м 1,2 1,2 0,6 0,6 1,2 Число Re 68000 44600 96000 59000 70900 а б в Рис. 8. Эпюры скорости при турбулентномрежиме движения жидкости: а шероховатая ровная поверхность; б во впадине; в на вершине гряды зации, имеющих отложения загрязнений на дне, с зависимостями, полученными в лабораторных условиях, показало, что при (h/hср) < 0,25 в коллекторе общесплавной канализации эпюра скоростей имеет более пологий характер, чем в лабораторном лотке. Вероятно, это связано с большим размером отложений на дне коллектора. Довольно большой разброс данных результатов измерений при малых глубинах потока (h/hср < 0,25) в коллекторе при наличии отложений связан со сложным рельефом дна и местным изменением эпюры скорости. Известно, что такие отложения вызывают значительное изменение профиля эпюры осредненной скорости (рис. 8) [9]. В случае отсутствия отложений на дне при h/hср > 0,25 эпюры скорости и для коллектора, и для лотка изменяются по очень близким зависимостям. Для установления более четких зависимостей изменения формы эпюры осредненных скоростей и корректива кинетической энергии от размеров и формы отложений на дне коллектора необходимо проведение более обширных экспериментальных исследований. Выводы: Предварительные экспериментальные исследования показали, что эпюры осредненных скоростей потоков с разным количеством отложений на дне коллектора имеют разную форму и аппроксимируются разными логарифмическими зависимостями. При гидравлическом расчете устройств предварительной очистки поверхностных стоков от грубодисперсных примесей необходимо учитывать изменение величины корректива кинетической энергии из-за наличия отложений загрязнений на входе. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Алексеев, М.И. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий [Текст] / М.И. Алексеев, А.М. Курганов. М.: АСВ; СПбГАСУ, 2000. Gromaire, M-C. Quality of street cleaning waters: comparison with dry and wet weather flow in Paris [Теxt] / M-C. Gromaire, S. Garnaud, M. Ahyerre, G. Chebbo // Urban Water. – Vol. 2. – 2000. – P. 39-46. Калинин, А.В. Физико-химические характеристики поверхностного стока Тольятти [Текст] / А.В. Калинин // 9-я Международная научно-техническая конференция «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». – Пенза, 2011. – С. 42-46. Chocat, B. Encyclopédie de l’hydrologie urbaine et de l’assainissement [Теxt] / B. Chocat, et all. – Paris: Tec&Doc Ed, 1997. Калинин, А.В. Пескоулавливающая камера усовершенствованной конструкции [Текст] / А.В. Калинин // Водоснабжение и санитарная техника. – 2010. – № 7. – С. 64-69. Алексеев, М.И. Гидравлический расчет сетей водоотведения [Текст] / М.И. Алексеев, Ф.В. Кармазинов, А.М. Курганов. – СПб.: СПбГАСУ, 1997. Чугаев, Р.Р. Гидравлика [Текст] / Р.Р. Чугаев. – Л.: Энергоиздат, 1982. Калинин, А.В. Влияние русловой выемки на гидравлический режим реки [Текст]: дис. … канд. техн. наук / А.В. Калинин. – М.: РУДН, 1987. Roh, M. Hydrologie de surface. ORSTOM [Теxt] / М. Roh // Gauthier-Villars. Paris, 1963. © Калинин А.В., 2012

About the authors

A. V KALININ

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения

References

Supplementary files