3.2. Особенности гидравлических расчетов кольцевых водопроводных сетей

Специфика гидравлических расчетов кольцевых сетей (в отличие от тупиковых) заключается в том, что распределение расходов воды как по отдельным кольцам сети, так и в пределах каждого кольца заранее не известно. Подобная неопределенность задачи значительно затрудняет расчет кольцевой сети, так как, не зная расходов воды по отдельным линиям кольца, нельзя провести гидравлические расчеты (определить диаметры линий каждого кольца сети и потери напоров в них).

В связи с этим сначала при известном суммарном расходе воды, подаваемой по водоводам в водопроводную сеть, в гидравлических расчетах кольцевой сети задается предварительное распределение суммарного расхода воды по всем линиям сети с учетом следующих положений:

1. Сумма расходов воды, поступающих в какой-то узел кольца сети, равна сумме узлового отбора в данном узле и расходов, вытекающих из него. Условно расходы воды, поступающие в узел кольца, считаются положительными, узловой и вытекающий из него расходы – отрицательными. Таким образом, алгебраическая сумма расходов воды в каждом узле кольца должна быть равна нулю: Q_i = 0.

2. В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь напора на участках, в которых вода движется по часовой стрелке, принимается условно положительной и равной сумме потерь напора (отрицательной) на участках, в которых вода движется против часовой стрелки, т.е. алгебраическая сумма потерь напора в каждом кольце сети равна нулю: h_i = 0.

Задав предварительное распределение расходов по кольцам сети, рассчитывают диаметры и потери напоров. После расчетов потерь напоров проверяют, соблюдается ли равенство h_i = 0 для всех колец водопроводной сети. Как правило, условие h_i = 0 сразу не будет удовлетворено для большинства колец сети. Неравенство потерь напоров связано с тем, что действительное распределение расходов в водопроводной сети при выбранных диаметрах отличается от первоначально намеченных расходов: одна ветвь кольца (вода движется по часовой стрелке) может оказаться перегруженной, а другая ветвь (вода движется против часовой стрелки) – недогруженной (по сравнению с действительным распределением расходов при выбранных диаметрах).

Второй этап расчета кольцевой сети – отыскание действительного («правильного») распределения расходов воды по сети, т.е. проведение «увязки» сети [8]. Суть «увязки» состоит в расчете расхода воды, который надо перебросить с перегруженной ветви кольца на недогруженную. Рассмотрим особенности проведения «увязки» на примере одного кольца водопроводной сети. Кольцо состоит из двух ветвей: верхней и нижней, для каждой заданы расходы Q₁ и Q₂ и по ним рассчитаны диаметры труб D₁ и D₂. Зная диаметр и длину ветвей кольца, определяют сопротивления s₁ и s₂ этих линий и потери напоров в них: h₁ =  и h₂ =  .

При h₁  h₂ не будет выполняться и условие h_i = 0. Предположим, что получено h₁ > h₂ (и, следовательно, h_i > 0). Пусть h_i = h, где h – «невязка». Если считать h положительной величиной, то это означает, что верхняя ветвь получилась перегруженной, а нижняя – недогруженной. Требуемое равенство напоров может быть получено, если перебросить некоторый расход Q c верхней на нижнюю ветвь. Этот поправочный расход Q автоматически приводит к уменьшению величины расхода Q₁ (на перегруженной ветви) и увеличению расхода Q₂ (на недогруженной ветви), т.е. обеспечивает требуемое перераспределение потоков воды по сети. При этом не нарушаются условия Q_i = 0 для узлов сети.

Величина Q должна быть выбрана такой, чтобы после внесения соответствующих поправок к величине расходов Q₁ и Q₂ для кольца выполнялось условие h_i = 0 или h₁ = h₂, т.е.

Отсюда расход (учтем, что Q² слишком мала по сравнению с Q и ею можно пренебречь)

.

Выражение, стоящее в числителе, представляет собой величину невязки h₁  h₂ = h, полученную при первоначально намеченном распределении расходов. Тогда

. (23)

Затем вычисляют новые значения  = Q_i + Q, для всех колец сети рассчитывают новые величины и проверяют соблюдение условий = 0.

Если при перераспределении расходов на величину Q равенство = 0 не соблюдается, то расчет следует продолжить, определяя новое значение поправочного расхода и повторно перераспределяя расходы воды по ветвям кольца. Обычно в практических расчетах значения h доводят не до нуля, а до некоторой допустимой относительно малой величины (примерно 0,5 м) [1, 6].