3.Проектирование водных устройств

3.1 Устройство и гидравлический расчет фонтана

Фонтаны – это искусственные устройства, служащие для образования и украшения бьющих вверх или стекающих струй воды. Весьма обширное разнообразие струй воды и способов их украшения создают бесчисленное количество вариантов фонтанов. Они могут быть одноструйными, многоструйными, с одной или несколькими чашами, фонтаны-скульптуры, фонтаны-родники и др.

Максимальная высота струй воды не должна превышать радиуса чаши фонтана во избежание попадания воды на окружающую территорию. Расход воды в фонтанах садово-парковых объектов не должен превышать 60 л/с.

Водоснабжение фонтанов может осуществляться из городского водопровода или местного источника с помощью насоса, а иногда самотеком. Сброс воды организуют в открытый лоток, ливневую канализационную сеть, а также путем оборотного водоснабжения. Для освобождения чаши фонтана от воды на зимний период его дно выполняют с уклоном не менее 0,005 к месту выпуска. Для оформления фонтанов используют цветной асфальт и бетон, керамическую плитку, чеканку и другие декоративные строительные материалы.

Фонтан, расположенный на территории данного парка имеет форму шара. Диаметр выходного отверстия d_н примем равным 0,1 м, а высота фонтанной струи h₀ будет равна 2,0 м.

Из уравнения Бернулли находим скорость истечения фантанной струи на выходе из насадка:

υ = √2gh₀ =√2 ∙ 9,81 ∙ 2 = 6.26 м/с

В результате сопротивления воздуха высота вертикального подъема фонтанной струи несколько меньше за скоростной напор. Действительная высота фонтанной струи вычисляется по формуле:

h_фонт = h₀ + h_w = h₀ ( 1 – ζ_cтр),

где h_w – потерянный напор, вызванный сопротивлением воздуха, м; ζ_cтр – коэффициент сопротивления струи, определяемый по формуле Люгера

ζ_cтр = kh₀ / ( 1 + kh₀),

где k – коэффициент, определяемый по формуле

k = 0,0025/ (d_н + 1000 d_н³) = 0,0025/ ( 0,1 +1) = 0,00023

ζ_cтр = kh₀ / ( 1 + kh₀) = 0,00046/ 1 + 0,00046 =0,00046

h_фонт = h₀ + h_w = h₀ ( 1 – ζ_cтр) = 2 ∙ (1 – 0,00046) 1,999 м

Расчитываем напор:

Q = ω_H υ = ω_H√2gh_0,

где ω_H – живое сечение выходного отверстия насадка, м².

В нашем случае диаметр выходного отверстия равен 10 см, а скоростной напор 5 м. При этом расход фонтана составит:

Q = (πd_н²/4)√2gh₀ = (3,14 ∙ 0,01/4) )√2 ∙ 9,81 ∙ 2 = 0,00785 ∙ 6,26 = 0,049 м³/с

При проектировании необходимо определить диаметр трубопровода, питающего фонтан. Для безотказной работы фонтана должна использоваться чистая вода. В садово-парковых объектах при автономном водоснабжении в качестве емкости для хранения воды и создания напора используются водонапорные башни типа БР конструкции А. А. Рожновского. Они устанавливаются на повышенных элементах рельефа с целью создания наибольшего напора. В нашем парке – это возвышенность, расположенная севернее пруда с относительной отметкой 14,5 м. При высоте воды в башне, равной 25,0 м, относительная высота уровня воды в башне (Н_уб) с учетом рельефа составит Н_уб = 39,5 м (14,5 м + 25 м).

Для гидравлического расчета трубопровода, подающего воду от водонапорной башни к фонтану, необходимо знать его длину ℓ и общий напор Н. Поэтому при проектировании требуется выбрать месторасположение фонтана. Фонтаны устраиваются обычно на пересечении дорог. Кроме того, необходимо учесть, что вода из чаши фонтана, как предполагается, самотеком будет поступать к началу системы порогов и каскадов. Начало данной системы будет за северной оконечностью плотины.

С учетом вышеизложенного можно принять, что фонтан располагается на 12-й горизонтали, т.е. имеет относительную высоту Н_ф = 12,0 м. Следовательно, общий напор Н в трубопроводе будет равен 27,5 м (Н = Н_уб – Н_ф = 39,5 м – 12,0 м), а длина трубопровода ℓ, измеренная по плану парка между водонапорной башней и фонтаном, составит 200 м.

В длинных напорных трубопроводах при истечении в атмосферу общий напор Н расходуется на преодоление сопротивлений по длине h_дл, на потери напора для преодоления местных сопротивлений h_м и на создание скоростного напора h₀, т.е.

Н = h_дл + h_м + h₀.

Принятый нами скоростной напор h₀ = 2,0 м. Используя вышеприведенную формулу, определяем сумму потерь напора по длине и потерь напора за счет местных сопротивлений (h_дл + h_м = Н – h₀ = 27,5 м – 2,0 м = 25,5 м).

В длинных трубопроводах потери напора на преодоление местных сопротивлений h_м составляют 5–10% от суммы потерь напора (h_дл + h_м). Примем эту величину, равной 10%, что составит 2,55 м, а потери напора на преодоление сопротивлений по длине составят 22,95 м (25,5 м – 2,55 м).

В трубопроводах потери напора по длине (h_дл, м) определяются по формуле

h_дл = Аℓ Q²,

где ℓ – длина трубопровода, м; Q – расход, вычисленный по формуле, м³/с; А – удельное сопротивление труб, приходящееся на 1 пог. м при расходе 1 м³/с, с²/м⁶.

Преобразуя формулу для h_дл , определяем удельное сопротивление

А = =22,95/(250 · (0,049)^²) = 22,95/0,6 = 38,25 с²/м⁶.

Диаметр трубопровода (d, м) определяется по формуле:

d = ,

где λ – коэффициент сопротивления по длине (λ = 0,025); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²); А – удельное сопротивление, с²/м⁶.

Таким образом, диаметр трубопровода равен:

d = = (8·0,025/(9,81·(3,14)²·38,25))^1/2 = 0,140 м = 140 мм.

Учитывая стандартные размеры труб принимаем диаметр трубопровода 150 мм (ближайший, больший).

Фонтан и трубопровод условными знаками наносятся на план парка.