ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИВ КРУПНОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОЗАБОРНО-ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Полный текст

Задачи совершенствования технологий изъятия воды из источников и конструкций водозаборно-очистных сооружений диктуют следующий основной алгоритм моделирования фильтрации в их фильтрующих элементах: установить особенности фильтрации воды в различных по крупности материалах, толщине их слоя, функциональных задач фильтрующих материалов (защита от шугольда, крупного сора, водорослей, предочистка воды, обеспечение заданной степени очистки воды и др.) и возможности использования известных зависимостей фильтрации воды в пористых средах применительно к задачам водоприема и водоочистки при наличии явлений длительных переохлаждений и фазовых изменений состояния воды [1, 2]; исследования нужно проводить на достаточно крупных моделях, обеспечивающих автомодельность и полное подобие работы фильтров водозаборов и водозаборно-очистных сооружений в лабораториях и в натуре [3, 4]; на моделях должны воспроизводиться наиболее реальные схемы фильтрации в фильтрующих элементах водозаборов с грубой предочисткой и водозаборно-очистных сооружений, работающих в режиме инфильтрационнофильтрующих устройств, являющихся типовыми для относительно схожих гидрологомерзлотных условий; в опытах должны соблюдаться требования безотрывного обтекания конструкций водоприемников водным потоком и минимизироваться изменения сложившегося гидрологического и мерзлотно-термического режима источников при водоотборе; применяющиеся в лабораториях имитаторы сора, шуголедовых образований, наносов и другие должны обладать сходными свойствами с натуральными их аналогами; в проводимых опытах необходимо создавать фактические структурные особенности отбираемых и промывных потоков в фильтрах. Внешнее взаимодействие водоприемников с источником можно достаточно полно и точно моделировать по Фруду. Процессы, характеризующие фильтрующий водоприем и работу водозаборно-очистных сооружений, моделировать сложно и с позиций технологической промывки как неподвижных слоев фильтров, так и при их взвешивании. в масштабе натуры. Крупность фильтра, значения Kф и определяемые ими величины J и m для модели и натуры должны быть одинаковыми. Перепишем выражение (5) в виде Так, фильтрующий водоприем при промывке фильтров точно по Фруду моделировать нельзя. При этом определяющей является не сила тяже, где z = hфJ = ΔР = Рпод фильт. – Рнад фильт. (7) сти а сила выпора (1) Зависимость (7) оказывается известным критерием Эйлера. Выражая его инвариантой моделирования, получим: (2) где Ω – площадь фильтра; hф – его толщина; R – сила выпора. Из зависимости определяется (8) иными словами, чтобы получить для обратной промывки фильтра условия, удовлетворяющие критерию (5), нужно принять крупность фильтра и скорость фильтрации одинаковыми для натуры и модели, т. е. необходимо выполи критерий подобия Ньютона нение условия Jм = Jн. Тогда, вписываясь во Фрув общем случае запишется так: (3) довы модели водоприемников, можно принять по Фруду лишь толщину фильтра, что делает абсурдной саму идею моделирования фильтров из крупнозернистых материалов. В связи с этим в лабораториях нужно исгде Fв – сила, определяющая моделируемое явление, т.е. в нашем случае это сила выпора. Если основной является сила тяжести, то критерий Ньютона принимает вид, обратный критерию Фруда: (4) Подставив в формулу (3) значение определяющей силы из уравнения (2), получим известный критерий подобия Эйлера: (5) Правило пересчета при моделировании по Фруду на натуру получится от деления соответствующих частей выражений (4) и (5), дающих инварианту моделирования: (6) Однако из уравнения(5) видно, что моделировать работу фильтра по Фруду нельзя. Для равенства параметров Kф и m в натуре и на модели необходимо последнюю воспроизводить практически следовать взаимодействие моделей водоприемников с водоисточниками, изучать линии токов, режимы движения засорений воды в фильтрах, выяснять гидравлическую структуру водоприема фильтрующими элементами и внешнюю картину промыва неподвижных фильтров разными способами при различых гидрологических условиях, в частности, скоростей течений υа. Действительную картину засоряемости фильтров водоприемников, промывку их при забивке засорениями и шугой, динамику отбора засоренной и зашугованной воды достоверно можно установить лишь в условиях натурных водоемов. Требования к моделированию фильтрующих водоприемников авторами выполнялись на экспериментальных установках в лабораториях, на специально создаваемых натурных полигонах, на полупроизводственных и натурных производственных сооружениях1. 1 Образовский А.С., Ереснов Н.В., Казанский Е.А., Бреснов В.Н. и др. Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников М.: Стройиздат, 1976. 368 с. Внешние воздействия потоков на водоприемники можно изучать на моделях, тогда градиенты в фильтрах при заданных J и d могут вычисляться по известным эмпирическим формулам. При этом возникают затруднения: исследования забивки шугой и кольматация фильтров, а также их промывка количественно достоверно выполнимы лишь в натуре. В этом – важнейшая особенность фильтрации в фильтрующих водоприемниках и их гидравлических исследований по сравнению с обычными, где отбор воды и промывка фильтров моделируются по Фруду. В этом заключается особая необходимость исследований фильтрующих водоприемников в натуре2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Журба, М.Г. Водозаборно-очистные сооружения и устройства [Текст] / М.Г. Журба, Ю.И. Вдовин и др. М.: Изд-во «Астрель», 2003. – 572 с. Вдовин, Ю.И. Теория и практика фильтрующего водоприема в системах водоснабжения [Текст] / Ю.И. Вдовин. – М.: ВИНИТИ, 1996. – 200 с. Леви, И.И. Моделирование гидравлических явлений [Текст] / И.И. Леви. – М.: ГЭИ, 1968. – 128 с. Лушкин, И.А. Исследования фильтрующего водоприема из источников с обильной водной растительностью [Текст]: дис. … канд.техн.наук / И.А. Лушкин. – Пенза, 1999. – 201с. © Вдовин Ю.И., Стрелков Д.А., 2011

Об авторах

Ю. И ВДОВИН

Тольяттинский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения

Д. А СТРЕЛКОВ

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

соискатель кафедры водоснабжения и водоотведения, главный инженер ООО НПФ «ЭКОС»

Список литературы

Дополнительные файлы