3.8. Гидравлический расчет самотечных трубопроводов

Расчет самотечных трубопроводов заключается в определении их диаметров, уклонов, наполнения и скорости. Исходными данными для расчета обычно является расход.

Расчетные формулы, лежащие в основе гидравлического расчета, выведены для установившегося и равномерного движения воды:

1. Формула постоянства расхода [5, 6]:

Q = ω∙v, (3.52)

где ω – площадь живого сечения, м²; v – средняя скорость по сечению, м/с.

2. Формула Шези:

, (3.53)

где C – коэффициент Шези м^0,5/с; R – гидравлический радиус, м; i – гидравлический уклон.

3. Формула Дарси:

, (3.54)

где λ – коэффициент сопротивления трению по длине (безразмерный).

Между коэффицентами λ и С существует зависимость:

(3.55)

(3.56)

Коэффициент Шези определяется по формуле Н.Н.Павловского (при 0,1 < R < 3 м) [1]:

, (3.57)

где – переменный, в зависимости от коэффициента шероховатости, показатель степени; n – коэффициент шероховатости, n = 0,013 - 0,014;.

Другой, более сложный способ определения коэффициента сопротивления λ (а значит и коэффициента Шези С) производится по формуле Н.Ф.Федорова, включающей в себя дополнительные параметры:

, (3.58)

где Δ_э – эквивалентная абсолютная шероховатость, мм; a₂ – коэффициент, учитывающий характер шероховатости стенок труб. Величины _э и а_ф зависят от материала трубы, их значения при концентрации взвешенных веществ в сточной воде до 600 мг/л приведены в приложении 7. Re – число Рейнольдса:

Re = v d_r / , (3.59)

где v – средняя скорость потока, м/с; d _r – диаметр трубопровода, м; – кинематическая вязкость сточных вод, (см²/с или м²/с).

Кинематическая вязкость сточных вод, содержащих взвешенных веществ 600 мг/л, из которых около 75 % -органические, при температуре от 2 до 25 °С может быть определена по формуле:

, (3.60)

где кинематическая вязкость пресной воды, (см²/с); температура воды, °С.

Эта универсальная формула справедлива для всех трех областей турбулентного режима движения: областей гладких труб, квадратичного сопротивления и переходной области между ними. Для расчета коэффициента λ можно использовать формулу, связывающую коэффициент шероховатости и абсолютную эквивалентную шероховатость:

(3.61)

3.8.1. Учет местных сопротивлений при гидравлическом расчете водоотводящих сетей

Гидравлический расчет водоотводящих сетей основан на положении, что в сети движение сточных вод является равномерным и установившимся. В действительности из-за местных сопротивлений (перепады, повороты и т.д.) на значительном протяжении трубопроводов наблюдается неравномерное движение.

Наиболее резкое снижение скорости при безнапорном движении происходит перед поворотами потока и перед боковыми присоединениями. Здесь может выпасть взвесь, что приводит к заиливанию сети. Поэтому при гидравлическом расчете как напорных, так и самотечных сетей следует учитывать местные потери напора, которые определяются по формуле Вейсбаха [2, 6]:

(3.62)

где h_м – потери напора, м; ζ – коэффициент местного сопротивления для данного местного сопротивления; v – средняя скорость течения, м/с.

П ри расчетах обычно принимают среднюю скорость, отнесенную к сечению, расположенному ниже по течению после местного сопротивления. Коэффициент местного сопротивления зависит от значения числа Рейнольдса.

Практически местные потери напора в поворотных колодцах составляют 1,5 – 3 см, а в соединительных колодцах достигают 6 см. Поэтому, например, в поворотных колодцах следует давать дополнительный уклон поворотному лотку на величину местных потерь напора (см. рис. 3.9).

Уровень воды в трубе

Рис. 3.9. Схема, характеризующая снижение местного сопротивления в

поворотных колодцах