Гидравлический расчёт сети канализации сложнее, чем водопроводной. Чем же это обусловлено?

Сточные воды – это жидкость со сложной структурой. Она представляет собой полидисперсную субстанцию, в которой значительную долю занимают суспензии и коллоиды. К тому же концентрация и состав загрязнений в сточных водах величина переменная, причём на одном и том же участке канализационной сети.

Основной режим течения сточной жидкости по канализационной сети – неравномерный и неустановившийся. Она движется в основном самотёком. Под напором жидкость перемещается на ограниченных участках.

Неравномерным называется движение с разной средней скоростью потока v в разных живых сечениях потока ω.

Режим течения стоков в сети канализации жидкости неравномерен вследствие:

nasosy rf

Таким образом, неоднородность структуры сточных вод и неравномерность их поступления существенно усложняют гидравлический расчёт канализационной сети по известным формулам для неравномерного движения жидкости. Поэтому используется вычислительная методика для движения равномерного. В ней применяются формулы турбулентного режима жидкости в гладкой, шероховатой и переходной областях. При этом учитывается зависимость степени турбулентности потока от скорости его движения. Также предполагается поступление всего расчётного расхода сточных вод в начало рассчитываемого участка. Игнорирование распределённого по длине поступления стоков, имеющего место в реальности, делается для упрощения расчёта.

При гидравлическом расчёте канализационной сети вычисляются следующие параметры: диаметры труб, площади поперечных сечений каналов, потери напора, средние скорости течения стоков в каналах и трубах и степени их наполнения.

Вся приводимая здесь информация относится к расчёту самотечных трубопроводов. Напорные, для которых используются фекальные насосы, рассчитываются несколько иначе.

Расчёт проводится на основе таких исходных данных: расчётных расходов сточных вод, уклонов канализационных каналов и труб, допустимых предельных (максимальных и минимальных) скоростей течения жидкости в трубах и каналах. Уклоны зависят от локального рельефа и ограничены также нормативными величинами.

Гидравлический расчёт канализационной сети основывается на двух формулах, описывающих равномерный турбулентный режим течения жидкой среды:

постоянства расхода

q = ωv

скорости (формула Шези)

v = c√R̅J̅

Здесь:

Гидравлический радиус представляет собой отнесённую к смоченному периметру площадь живого сечения и выражается в м. Гидравлический уклон потока, называемый также гидродинамическим напором на единицу длины, – это уклон i, который должно иметь дно русла при самотечном движении жидкости.

Вместо формулы Шези, как показал практический опыт, в ряде случаев может быть применена эмпирическая формула Дарси:

formula darsi

где

Коэффициент Шези имеет размерность м1/2/с, коэффициент Дарси – величина безразмерная. На основании формулы Дарси составлены графики и таблицы, из которых необходимые параметры могут быть найдены без вычислений.

Основная задача состоит в нахождении одного из этих коэффициентов. Как известно из гидравлики, они определяются двумя величинами – числом Рейнольдса Re и относительной шероховатостью Δэ/R (Δэ – эквивалентная абсолютная шероховатость).

Феноменологически турбулентное течение жидкости внутри трубы можно описать как движение ядра с турбулентностью, окружённого ламинарной плёнкой.

При движении с малой скоростью (малые Re) ламинарная плёнка толще, чем выступы шероховатости, зона течения в этом случае называется гладкой. То есть шероховатость стенок труб влияния на турбулентных характер течения не оказывает, и коэффициенты λ или с будут функциями только от числа Рейнольдса. Сопротивления же станут пропорциональны примерно самой величине скорости.

При больших Re (большой скорости движения среды) ламинарная плёнка уже не может компенсировать воздействие шероховатости. Сопротивление стенок пропорциональны уже квадрату скорости. Зона движения оказывается квадратичной. Аргументом, определяющим коэффициенты сопротивления; является уже относительная шероховатость Δэ/R, а не число Re.

Когда толщина ламинарной пленки и высота выступов шероховатости стенок трубо­провода сравнимы по величине, движение происходит в переходной зоне, расположенной между квадратичной и гладкой. Здесь на коэффициенты λ и с оказывают влияние вязкость жидкости и относительная шероховатость труб. Сопротивления будут пропорциональными скорости потока в промежутке степени от 1,75 до 2.

Коэффициенты сопротивления трению по длине λ определяются по формуле профессора Н. Ф. Федорова

formula fedorova

где

В правой части формулы находятся два члена, отражающие фазы турбулентного режима движения жидкости: первый – шероховатую, второй – гладкую.

Неудобство формулы при гидравлическом расчёте заключается в присутствии числа Рейнольдса во втором члене, которое неизвестно при постановке задачи.

При течении сточных вод со скоростью выше 1,5 м/сек турбулентное движение будет происходить в режиме квадратичном. Вести расчёт в этом случае можно по формуле Шези с определением его коэффициента с из формулы Н. Н. Павловского:

c = Ry/n.

Здесь

На величину последнего параметра влияют гидравлический радиус R и коэффициент шероховатости п. Для его вычисления существуют формулы развёрнутая

y = 2,5 √n̅͞͞ - 0,13 – 0,75 √R̅ (√n̅͞͞ - 0,10),

и сокращенные:

при R менее 1 м y ≈ 1,5 √n̅͞͞;

при R больше 1 м y ≈ 1,3 √n͞͞.

В формуле Павловского этот показатель при п = 0,013 примерно равен 1/6. В этом случае формула предельно упрощается:

c = R1/6/n

В некоторых странах она известна как формула Маннинга. В практическом плане результаты вычислений по обеим формулам почти совпадают, особенно при п = 0,014. Практикам полезно использовать табличные данные, составленные по формулам Павловского и Федорова и приведённые для труб и каналов из различных широко применяемых материалов.