APARTMENT | No.43 Hệ thống đường ống nước trong tòa nhà ( Phần 13)

Xin kính chào Quý độc giả! Ở các số Tạp chí trước chúng ta đã cùng bàn luận về điều kiện dòng chảy, chính vì thế hôm nay chúng ta sẽ đi sâu hơn về điều kiện này mà ở đây là điều kiện dòng chảy không ổn định. Bản chất của các dòng chảy chúng ta gặp trong hệ thống cấp thoát nước của tòa nhà vốn là không ổn định. Trước đây, các kỹ thuật và công nghệ chưa thể xử lý những điều kiện này ở mức độ có thể áp dụng được rộng rãi. Tuy nhiên, sự ra đời của điện toán và máy tính đã giúp cho việc áp dụng các kỹ thuật mô phỏng toàn diện và thực tế hơn. Ở số Tạp chí này chúng ta sẽ xem xét việc áp dụng một nhóm mô phỏng cụ thể để dự đoán các điều kiện dòng chảy không ổn định trong cả hệ thống cấp nước và thoát nước / thông gió của tòa nhà. Đội ngũ chúng tôi mong rằng sẽ tiếp tục nhận được sự ủng hộ và đón đọc của Quý độc giả để có thể tiếp tục mang đến những sản phẩm chất lượng hơn nữa.

Xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Đức Dũng

Phó Tổng biên tập

06. Mô phỏng dòng chảy không ổn định trong hệ thống cấp thoát nước 12. Mô hình hóa các điều kiện dòng chảy không ổn định 16. Phương pháp hàm đặc trưng 28. Ứng dụng mô hình máy tính vào cấp thoát nước trong tòa nhà 29. Hệ thống thoát nước như một ví dụ về chế độ dòng chảy không ổn định 33. Mô phỏng hệ thống 39. Vận chuyển chất rắn trong một phương pháp hàm đặc trưng của dòng chảy không ổn định - phương pháp tiếp cận giảm vận tốc chất rắn/vận tốc dòng chảy 50. Các cơ chế vận chuyển chất rắn và tác động của quá trình lắng đọng tạm thời

56. Hệ thống thoát nước bị lỗi 65. Cân nhắc lưu lượng máng xối

72. Phương pháp hàm đặc trưng được áp dụng để mô hình hóa sự chuyển tiếp áp suất không khí biên độ thấp trong hệ thống thông hơi của ống thoát nước

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG CẤP THOÁT

NƯỚC

Tính chất của dòng chất lỏng ta gặp trong hệ thống cấp thoát nước của tòa nhà vốn có bản chất không ổn định. Cho dù xét đến việc thiết bị xả thải qua mạng lưới thoát nước hay việc không khí bị cuốn theo màng nước hình khuyên trong một ống xả thải đứng, các thông số dòng chảy quan sát được rõ ràng là phụ thuộc vào thời gian. Trước đây, các kỹ thuật có sẵn không thể xử lý những điều kiện này ở mức độ mà nhà thiết kế bình thường có thể tiếp cận được. Tuy nhiên, sự ra đời của các phép điện toán và máy tính và một xã hội có kiến thức về sử dụng máy tính làm cho việc áp dụng các kỹ thuật mô phỏng toàn diện hơn vừa thực tế vừa cần thiết. Phần này sẽ xem xét việc áp dụng một nhóm mô phỏng cụ thể để dự đoán các điều kiện dòng chảy không ổn định trong cả hệ thống cấp nước và thoát nước / thông gió của tòa nhà.

Các hệ thống được xem xét sẽ bao gồm các dòng chảy bề mặt tự do trong các nhánh ngang của mạng lưới thoát nước và các máng xối nước mưa hở, các dòng khí cuốn vào và sự chuyển tiếp áp suất không khí biên độ thấp liên quan trong hệ thống ống thông hơi và ống xả thải đứng và sự chuyển tiếp áp suất được tạo ra trong các thiết bị cấp nước và hệ thống thoát nước mưa siphonic. Tất cả các điều kiện này sẽ được chứng minh là thuộc cùng một nhóm của hiện tượng dòng chảy không ổn định và có thể giải quyết bằng cách áp dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn dựa trên phương pháp của các đặc tính và việc sử dụng các phép điện toán hiện có.

Thuật ngữ ‘không ổn định’ có một định nghĩa thông dụng rằng tại bất kỳ vị trí nào được chọn trong mạng lưới đường ống, các thông số chủ yếu của dòng chảy cho mỗi cơ chế dòng chảy sẽ thay đổi theo thời gian. Trong trường hợp hệ thống thoát nước và thông gió, lưu lượng và độ sâu hoặc độ dày dòng chảy xuống hình khuyên, dòng không khí bị cuốn theo và áp suất hút sẽ thay đổi theo thời gian. Tương tự, độ sâu của máng xối nước mưa sẽ phụ thuộc vào cường độ và thời gian của cơn bão, trong khi áp lực trong mạng lưới thoát nước siphonic sẽ phụ thuộc vào thời gian tương tự. Áp lực trong hệ thống cấp nước sẽ phụ thuộc vào nhu cầu và tỷ lệ đóng van.

Dòng nước trong mạng lưới thoát nước của tòa nhà có thể được mô tả là không ổn định do sự thay đổi của dòng chảy xả ra từ mỗi thiết bị, một nguyên nhân khác là do việc sử dụng ngẫu nhiên các thiết bị được kết nối với mạng lưới và các thay đổi đối với qu á trình xả của thiết bị do suy giảm sóng và kết hợp với các dòng chảy tại các điểm giao nhau trong quá trình di chuyển của dòng nước qua mạng lưới. Các phương pháp thiết kế hiện tại đã kết hợp mô hình sử dụng của các thiết bị trong hệ thống bằng cách đưa ra các xác suất chức năng sử dụng, bắt đầu với Phương pháp đơn vị thiết bị (Hunter 1940).

Tuy nhiên, hướng dẫn thiết kế được đưa ra là khá thận trọng và đưa ra giả định dòng chảy ổn định liên quan đến tổng hợp các đơn vị thiết bị trong mạng lưới. Khi tốc độ dự kiến của dòng chảy ổn định trong một nhánh ống đứng, hướng dẫn thiết kế có sẵn đề gia xuất tăng đường kính ống và/ hoặc độ dốc. Ở hình 8.5 trong số tạp chí trước, có thể chỉ ra rằng tốc độ dòng chảy được khuyến nghị thay đổi như vậy tương ứng với độ sâu dòng chảy ổn định đạt 50% đường kính ống.

Do có nhiều thiết bị xả, dòng chảy xuống trong các ống xả đứng kết nối với mạng lưới từng tầng với cống thu gom của tòa nhà cũng sẽ không ổn định. Điều này ngụ ý rằng luồng không khí bị cuốn vào trong ống xả thải và bất kỳ mạng lưới thông hơi nào liên quan, cũng sẽ phụ thuộc vào thời gian, và quan trọng hơn, sự chuyển tiếp áp suất được tạo ra bởi những thay đổi này trong dòng chảy xuống của dòng nước hình khuyên sẽ phụ thuộc vào cả dòng chảy xuống và tỷ lệ mà nó thay đổi.

Ví dụ, một dòng chảy xuống hình khu yên tăng từ 0 đến 4 l/s trong 1 giây sẽ tạo ra áp suất hút chuyển tiếp lớn hơn nhiều so với cùng một sự thay đổi về lưu lượng nước diễn ra trong 5 giây. Các quy tắc cấp Quốc gia thường dựa trên thử nghiệm dòng chảy ổn định mà giới hạn dòng chảy xuống với bất kỳ đường kính ống xả thải nào đủ để tạo ra một lực hút nhất định. Ở Anh, con số 375 N/m2 được sử dụng, hoặc đối với dòng chảy xuống hình khuyên đủ để cung cấp độ dày màng hình khuyên đặc biệt hoàn chỉnh thì con số 1/16 đường kính hoặc 25% diện tích mặt cắt ngang thường được sử dụng.

Song song với các hướng dẫn thiết kế của Hoa Kỳ/Vương quốc Anh được nêu trong các số đầu của chuyên đề này, tất cả các quy tắc cấp quốc qia đã phát triển khác đều có các phương pháp luận và giá trị giới hạn cụ thể của riêng họ. Vì những điều này hoàn toàn dựa trên việc chuyển dịch các dữ liệu thực nghiệm ở trạng thái ổn định thành các hướng dẫn thiết kế ‘an toàn’, rất khó để so sánh giá trị tương đối hoặc tính phù hợp của chúng để đáp ứng các tiêu chuẩn và mô hình sử dụng thay đổi trong hệ thống thoát nước của tòa nhà.

Sự ra đời của việc bảo tồn tài nguyên nước, sự nổi lên của cụm từ ‘tính bền vững’ như một chương trình nghiên cứu chủ yếu và việc lắp đặt các thiết bị sử dụng ít nước hơn đặt ra các yêu cầu về thiết kế mà không nhất thiết phải được bao quát bởi dữ liệu thực nghiệm về trạng thái ổn định đang được sử dụng để tạo ra các hướng dẫn thiết kế hiện tại.

Những thay đổi nhanh chóng về mức tiêu thụ nước của các thiết bị, cùng với các cân nhắc về bảo tồn nước và các chiến lược đo lường và chi phí trong tương lai ngụ ý rằng các phương pháp mô hình hóa được cải tiến là cần thiết để đảm bảo rằng các hệ thống không được thiết kế vượt tải trọng thực tế yêu cầu một cách quá mức. Trong thiết kế hệ thống thoát nước của tòa nhà, thiết kế vượt quá mức không được coi là một yếu tố an toàn vì sự gia tăng đường kính ống ở bất kỳ tốc độ dòng chảy nhất định nào sẽ tự động dẫn đến khả năng lắng đọng chất rắn và chi phí bảo trì tăng cao. Sự ra đời của Quy định về Nước năm 1999, và đặc biệt là việc tái áp dụng hệ thống bồn cầu xả kép với thể tích xả tối đa giảm xuống còn 6 và 4 lít nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét việc bảo tồn nước trong thiết kế cấp thoát nước của tòa nhà. Kích thước hệ thống thoát nước nói chung và liên quan đến hoạt động của bồn cầu sẽ trở thành một yếu tố quan trọng để vận hành hệ thống hiệu quả.

MÔ HÌNH HÓA CÁC ĐIỀU KIỆN DÒNG CHẢY KHÔNG ỔN ĐỊNH

Dòng nước và dòng không khí cuốn theo trong hệ thống cấp thoát nước của tòa nhà thuộc về dòng chảy không ổn định có thể được mô tả bằng các phương trình liên tục và động lượng đầy đủ, được nghiên cứu và đưa ra lời giải lần đầu tiên bởi d’Alembert vào những năm 1750 và hiện tại được gọi là phương trình sóng St Venant. Nội dung sau đây sẽ giải quyết một cách tổng quát về mô hình dòng chảy không ổn định bằng cách phát triển dạng tổng quát của phương trình động lượng và liên tục áp dụng cho tất cả các trường hợp không ổn định được xác định ở trên và đặc biệt sẽ xác định tầm quan trọng của vận tốc truyền sóng trong mỗi trường hợp.

Phương trình động lượng có thể được phát biểu (Swaffield và Boldy 1993, Douglas, Gasiorek và Swaffield 2000), như sau: rút gọn lại còn: Im + IIm - IIIm + IVm + Vm = 0 Mỗi số hạng này đều có ý nghĩa riêng. Ví dụ: IIIm đại diện cho lực hấp dẫn trong khi IVm đại diện cho lực cản ma sát tác động chống lại dòng chảy cục bộ, Vm đại diện cho gia tốc của bất kỳ dòng chảy vào theo phương ngang nào.

Phương trình liên tục cũng có thể được suy ra ở dạng tổng quát. Ống dẫn được giả định là đàn hồi tuyến tính, chỉ chịu các biến dạng nhỏ. Chất lỏng được giả định là phải trải qua những thay đổi nhỏ về tỷ trọng so với đại lượng tỷ trọng bản thân

trong đó q là dòng bên chảy vào trên một đơn vị chiều dài của ống dẫn,

Chế độ dòng chảy

Hệ thống thoát nước mặt thoáng trong tòa nhà, tức là không thay đổi mật độ

Hệ thống máng xối nước mưa mặt thoáng, tức là mạng lưới thoát nước nhưng bao gồm cả dòng vào theo phương ngang

Sự chuyển tiếp áp suất không khí trong ống thông hơi của hệ thống thoát nước, tức là không có thay đổi về tiết diện dòng chảy, dòng vào theo phương ngang hoặc ống dọc kéo dài.

Phương trình chuyển động

I,II,III,IV I,II,III

Phương trình liên tục Búa nước (dòng chảy trong ống dẫn kín, hệ thống thoát nước mưa siphonic, tất cả các số hạng có liên quan ngoại trừ dòng vào theo phương ngang)

I,II,III,IV Chỉ I,II

I,II,III,IV,V Chỉ I,II,IV

Chỉ I,II,IV Chỉ I,III

Bảng 9.1: Xác định các số hạng liên quan cho từng chế độ dòng chảy không ổn định được xem xét

Rút gọn còn Ic + IIc +IIIc - IVc = 0 II c biểu thị ảnh hưởng đến sự lan truyền nhất thời của sự thay đổi trong diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy và thông qua tỉ số Poisson, sự ảnh hưởng của sự kéo dài theo chiều dọc của thành ống. Tương tự, IIIc đại diện cho những thay đổi mật độ do sự chuyển tiếp áp đi qua. Khi hiểu được chức năng của từng giai đoạn trong phương trình chuyển động và liên tục, ta có thể xác định được đoạn nào được biểu thị là có liên quan đối với từng chế độ dòng chảy không ổn định được xem xét (xem bảng 9.1), với điều kiện là Tiêu thức Courant.

PHƯƠNG PHÁP HÀM ĐẶC TRƯNG

Các phương trình động lượng và tính liên tục của dòng chảy không ổn định cho mỗi trường hợp dòng chảy được xác định ở trên là ví dụ của phương trình đạo hàm riêng hypebol chuẩn tuyến tính và như vậy có thể được giải bằng các kỹ thuật số học, miễn là chúng được chuyển thành dạng vi phân toàn phần. Sau công trình đầu tiên vào những năm 1960 (Lister 1960), phương pháp hàm đặc trưng đã xuất hiện như một kỹ thuật mô phỏng tiêu chuẩn trong ngành. Phương pháp này xử lý lại các phương trình dưới dạng phương trình vi phân toàn phần trong hai biến phụ thuộc và hai biến độc lập.

Do đó, phương trình vi phân toàn phần kết hợp có thể được viết dưới dạng

Với điều kiện Courant, được biểu thị bằng công thức và được duy trì Các giá trị thích hợp của u1, u2, C1 và C2 được cho trong bảng 9.2. Các luận điểm đặc biệt xuất phát từ phân tích này:

1. Trong phân tích sự chuyển tiếp áp suất hoặc búa nước, áp suất được tạo ra là đủ để độ đàn hồi của thành ống ảnh hưởng đến việc tính toán tốc độ sóng. Do đó, tốc độ sóng trong ống nhựa sẽ thấp hơn nhiều so với ống thép, tuy nhiên, sự gia tăng áp suất thực tế sau khi đóng van có thể so sánh được vì tốc độ sóng giảm có nghĩa là những thay đổi về điều kiện dòng chảy xảy ra trong thời gian ngắn hơn như được đo trong thời gian chảy trong ống.

Búa nước (bao gồm hệ thống thoát nước mưa qua xi phông)

Cống thoát nước

Máng nước Thông hơi

Lưu ý rằng hệ số ma sát ƒ trong thiết bị của hệ thống thông hơi có thể đóng vai trò là động lực cho quá trình hút khí trong một số điều kiện như dòng nước chảy xuống hình khuyên và luồng không khí bị cuốn vào

Bảng 9.2: Xác định các hệ số trong phương trình sai phân hữu hạn áp dụng cho các ứng dụng thoát nước của tòa nhà được xem xét

Bảng 9.3: Các tính toán tốc độ sóng cho một loạt các điều kiện dòng chảy, cùng với các mức áp suất được tạo ra khi thích hợp để giảm tốc độ dòng chảy tức thời 1 m / s

Giá trị tăng áp đột ngột để giảm 1,0 m/s vận tốc dòng chảy dao động từ 1500 kN/m2 đối với nước trong ống cứng đến 40 mm áp kế nước để giảm 1,0 m/s tốc độ dòng không khí bị cuốn vào trong ống thông của ống thoát nước đứng của tòa nhà. Đối với dòng ống tiết diện tròn được lấp đầy một phần, tốc độ sóng ở độ sâu nửa đường kính giảm xuống còn 2,776D. Đối với mật độ không khí, p, có thể được lấy là 1,3 ở 0○C, áp suất khí quyển, p, là 101 kN/m2 và μ là 1,39 ở 1 atm và 0○C, do đó tốc độ sóng, c = 329 m/s.

Ống cứng Ống đàn hồi

Luồng khí / chất lỏng

Khí biên độ thấp

Sóng bề mặt tự do nơi mà

2. Với sự chuyển tiếp áp suất không khí, biên độ thường không đủ để gây ra biến dạng thành ống, do đó tốc độ sóng có thể được xác định chỉ dựa trên mật độ và áp suất. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong trường hợp này, các phương trình đặc trưng được biểu thị dưới dạng vận tốc chất lỏng và tốc độ sóng vì áp suất và mật độ không độc lập với nhau. Điều này cũng có nghĩa là một tính toán sâu hơn để xác định áp suất khi các phương trình đặc trưng đã được giải như sau

3. Trong các dòng chảy tự do trên bề mặt, hoặc trong các nhánh nằm ngang, các kết nối cống hoặc máng nước, tốc độ sóng là vận tốc truyền sóng trên bề mặt, phụ thuộc vào độ sâu và vận tốc của dòng chảy. Các dòng chảy có thể được định rõ đặc điểm thành dưới điểm tới hạn, trong đó vận tốc dòng chảy nhỏ hơn tốc độ sóng này và siêu tới hạn, nơi vận tốc vượt quá tốc độ sóng bề mặt. Do đó, trong dòng chảy siêu tới hạn, nhiễu động dòng chảy không thể lan truyền ngược dòng dẫn đến sự hình thành các bước nhảy thủy lực để tách biệt các điều kiện dòng chảy này. (Lưu ý rằng xác định số Froude thực sự là một dạng của số Mach vì nó liên quan đến vận tốc dòng chảy cục bộ với vận tốc truyền sóng.)

Các biểu thức sai khác hữu hạn chỉ tồn tại với điều kiện tuân thủ các mối quan hệ dx/dt; điều này được gọi là tiêu chí Courant và liên kết bước thời gian mô phỏng với gia số khoảng cách hoặc chiều dài đường ống giữa các nút. Ta sẽ thấy rằng tiêu chí Courant phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy và tốc độ sóng; ta cũng cần lưu ý một điều hữu ích rằng đối với các dòng chảy tự do trên bề mặt, chúng có thể so sánh được, thường là < 5 m/s, trong khi đối với sự chuyển tiếp áp suất không khí, tốc độ sóng là xấp xỉ 340 m/s với vận tốc dòng khí cuốn theo nhỏ hơn một bậc. Với tốc độ sóng cao hơn nhiều, lên đến 1500 m/s, có thể gặp phải trong các ứng dụng của búa nước.

Nguyên vật liệu

Bảng 9.3 minh họa các tính toán tốc độ sóng cần thiết cho từng trường hợp được thảo luận, trong khi các bảng 9.4 và 9.5 trình bày các giá trị Mô-đun Young và Mô-đun khối chất lỏng được yêu cầu trong trường hợp búa nước. Các phương trình dx/dt này xác định các đường thẳng được vẽ trong mặt phẳng x − t, được gọi là các đặc trưng.

Môđun Young ×10-9 N/m2 Nguyên vật liệu

Môđun cắt ×10-9 N/m2

Nhôm 70.0 0.3 27.6

Gang thép 80.0−110.0 0.25 40.0−80.0

Bê tông 20.0−30.0 0.1−0.3

Đồng 107.0−130.0 0.34

Thủy tinh 68.0 0.24

GRP 50.0 0.35 3.92 Polythene 3.1 − 1.10 Nhựa PTFE 0.35 Nhựa pvc 2.4−2.8

bê tông cốt thép 30.0−60.0 0.15 −

Cao su 0.7−7.0 0.46−0.49

Thép 200.0−214.0 0.3 82.7

Titan 103.4 0.34 44.8

Bảng 9.4: Các giá trị của môđun đàn hồi Young, tỷ lệ Poisson và môđun cắt cho một loạt các vật liệu làm thành ống phổ biến.

Loại chất lỏng

Cacbon tetra ở clorua

Rượu etylic ở Herosene

Dầu s.a.e. 10 s.a.e. 30 Nước biển ở Nước ở ở ở

Mô-đun khối 10-8 N/m2

Khối lượng riêng kg/m3

Bảng 9.5: Các giá trị của môđun khối và khối lượng riêng một loạt các chất lỏng thông thường

Những đặc điểm này có thể được coi là phương thức truyền thông tin từ một địa điểm trong dòng chảy ở thời điểm hiện tại đến địa điểm khác trong tương lai. Hình 9.1 minh họa khái niệm chung này cho các thiết bị hệ thống dòng chảy hoàn toàn hoặc bề mặt tự do. Tại các biên của bất kỳ hệ thống nào, chỉ có một đặc tính có thể tồn tại và cần phải biểu diễn biên bằng một số phương trình đã phát triển liên kết độ sâu dòng chảy, hoặc áp suất không khí với tốc độ dòng chảy và / hoặc thời gian. Đó là khả năng phát triển các điều kiện biên như vậy tạo ra phương pháp hàm đặc trưng với tính phù hợp cụ thể của nó như một kỹ thuật mô phỏng cho dòng chảy không ổn định trong xây dựng hệ thống thoát nước và thông gió.

Truyền sóng, lưu ý bước thời gian dựa trên điều kiện Courant

Sự chuyển tiếp không khí biên độ thấp

Thời gian, t + ∆t Thời gian, t

Điều kiện tại biên cần được giải quyết với đặc trưng đơn nhất ở biên

sự chuyển tiếp không khí

Điều kiện tại biên

v...v thời gian t

Hình 9.1: Tóm tắt phương pháp hàm đặc trưng áp dụng cho dòng chảy không ổn định trong các hệ thống tiện ích của tòa nhà. Lưu ý tầm quan trọng của các phương trình biên biểu thị lối vào và lối ra của ống dẫn

Các điều kiện biên bao gồm xả thải WC ra cống rãnh; các mối nối ống, bao gồm cả bước nhảy thủy lực dịch chuyển; lối vào các ống xả thải dọc; sự biến đổi của dòng chảy hình khuyên trong ống xả thải trở lại thành dòng chảy bề mặt tự do khi đi vào cống thu gom ở mức thấp nhất; vận chuyển chất rắn trong một mạng lưới đường ống và sự tương tác giữa dòng chảy xuống dạng hình khuyên trong ống xả thải và hệ thống thông hơi. Sự phát triển của các điều kiện biên này đòi hỏi cả đầu vào thực nghiệm, dựa trên cơ sở phòng thí nghiệm, cũng như nghiên cứu toán học cần thiết để chuyển các hiệu ứng biên quan sát được thành một tập hợp các mối quan hệ tương thích với phương pháp của mô hình đặc trưng. Mô tả đầy đủ hơn về mô hình toán học và kiểm định được thực hiện có thể được tìm thấy trong nghiên cứu của Swaffield và Galowin (1992) và Swaffield và Boldy (1993). Tại các nút trong một chiều dài ống, giải pháp đồng thời của các phương trình đặc trưng có sẵn là đủ.

DỤNG MÔ HÌNH MÁY TÍNH VÀO CẤP THOÁT NƯỚC TÒA NHÀ

Phương pháp xây dựng đặc trưng của phương trình liên tục và động lượng xác định dòng chảy không ổn định trong các hệ thống tòa nhà có thể được sử dụng để giải quyết một loạt các hiện tượng bao gồm tăng áp suất trong nguồn cấp nước của thiết bị, các cơ chế và mối quan hệ tương hỗ vốn có trong dòng chảy nhánh có bề mặt tự do nằm ngang, bao gồm cả các tác động thoát nước bị lỗi và vận chuyển chất rắn, sự lan truyền quá độ áp suất không khí trong hệ thống lỗ thông hơi và giữ kín bẫy nước, lưu lượng và công suất máng xối và mồi cho hệ thống nước mưa qua ống xi phông. Mỗi trường hợp này sẽ được phát triển với các ví dụ về đầu ra được mô phỏng và các điều kiện biên liên quan cần thiết để đáp ứng các yêu cầu của phương pháp ứng dụng đặc trưng.

HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC

NHƯ MỘT VÍ DỤ VỀ CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY

KHÔNG ỔN ĐỊNH

Định nghĩa về dòng chảy không ổn định áp dụng rõ ràng cho hệ thống thoát nước của tòa nhà được cung cấp bởi lựa chọn ngẫu nhiên của các thiết bị xả thải. Sự xả thải của thiết bị vào đầu ống thoát nước có thể được mô tả bằng đường cong thời gian so với dòng vào. Điều này tạo ra một sóng truyền xuống cống theo hướng kết thúc của nó tại một ống xả thải dọc hoặc tại một điểm giao nhau với các nhánh khác, sóng này có thể mang theo dòng xả thải của chúng một cách tự nhiên. Hình 9.2 minh họa một sóng như vậy, trong đó các vùng sâu hơn có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với vùng nông hơn, phân phối lại một cách hiệu quả khối lượng nước trong sóng về phía trước, tạo ra cạnh đầu và lan rộng phần đuôi của sóng. Ma sát làm giảm sự khác biệt giữa các vận tốc dòng chảy dọc theo sóng, do đó không phải tất cả các sóng đều ‘vỡ’.

Phương pháp thiết kế hiện tại không thể dự đoán được những tác động này và điều này tạo động lực cho sự phát triển của phương pháp luận và mô hình số học được mô tả. Mức độ yếu đi của dòng chảy do bất kỳ sự xả thải nào của thiết bị phụ thuộc vào đường kính ống, độ nhám, độ dốc, hình dạng của dòng chảy ban đầu so với cấu hình thời gian và dòng cơ sở mà nó phải đi qua. Hình 9.3 cũng minh họa lý do tại sao dòng chảy của ống nước có thể được mô tả là gần như ổn định. Động lực cho sự suy giảm là sự khác biệt về độ sâu và vận tốc trong bản thân sóng; khi những khác biệt này giảm do sự suy yếu dòng, thì sự suy yếu cũng giảm theo. Ở phía xa hạ lưu, sóng “gần như” trở thành một dòng chảy ổn định, vì sự tổng hợp của nhiều sóng suy yếu như vậy trong cống dẫn đến các điều kiện có thể gần đúng bằng các phương trình áp dụng cho các dòng chảy tự do ổn định trên bề mặt.

Hình

Hình 9.3: Sự suy yếu sóng trở nên không đáng kể về phía hạ lưu khi lưu lượng cơ sở Qo tăng do kết hợp các dòng

Bất kỳ mô phỏng nào cũng phải có khả năng xử lý nhiều lần xả vào mạng lưới thoát nước ngang sẽ bao gồm các điểm giao nhau, dù là ngược mức hay vào lối trên cùng, cũng như tăng đường kính theo hướng dòng chảy. Sơ đồ hình 9.1 nhấn mạnh sự cần thiết phải phát triển các điều kiện biên tại các điểm giao nhau như vậy. Do đó, một khả năng thiết yếu là có thể dự đoán các tác động của việc rửa ngược tại các điểm nối - chỉ có thể thực hiện được với phương pháp mô hình đặc trưng.

Nỗ lực nghiên cứu bền vững đã phát triển mô hình DRAINET có khả năng mô phỏng mạng lưới thoát nước nhiều tầng, nhiều thiết bị, cung cấp dòng chảy và độ sâu tại các vị trí đã chọn vào những khoảng thời gian do người dùng xác định và áp dụng tiêu chí Cou rant. Mô phỏng này cũng bao gồm dự đoán vận chuyển chất rắn và khả năng xác định ảnh hưởng của việc lắp đặt hệ thống thoát nước bị lỗi đối với điều kiện dòng chảy.

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Sau đây là hai ví dụ về tính linh hoạt của phương pháp đặc trưng. Việc đưa nhánh thu gom tầng trên phục vụ hàng loạt WC bị phát hiện gây bức xúc cho người dùng do việc xả ngược WC vào các nhà vệ sinh liền kề. Một ng hiên cứu thử nghiệm và mô phỏng kết hợp đã được thực hiện thay mặt cho cơ quan quản lý quy tắc có liên quan. Hình 9.4 minh họa mạng lưới ở mức độ đảo ngược của năm WC được xem xét. Hình 9.5 minh họa sự rửa ngược dự đoán thành các đơn vị liền kề. Đối với một loạt các trường hợp thử ng hiệm, sự thống nhất chặt chẽ đã được tìm thấy giữa khối lượng rửa ngược đo được, chỉ cần thu thập tại cống thoát đến kết nối WC không xả và điều đó được dự đoán bởi mô phỏng DRAINET. Theo kết quả của nghiên cứu này, quy tắc đã được thay đổi để đảm bảo tối thiểu một đường kính ống là độ sụt dọc giữa xả WC và đường giao nhau đảo mức. Sáng kiến về quy tắc này là một điểm tích cực vì việc thu gom sàn ở trên sẽ giúp giảm bớt bất kỳ việc tân trang hoặc thay đổi sử dụng không gian trong tương lai.

Một kết quả khác của nghiên cứu này là khi khối lượng nước xả WC giảm trên toàn thế giới, ví dụ: Quy định về nước của Vương quốc Anh cho phép xả kép 6/4, xả kép 6/3 là tiêu chuẩn ở Úc và các nhà vệ sinh Scandinavia có sẵn loại xả kép 4/2 lít, việc sử dụng các nhánh ngang có kích thước giảm cũng phải được xem xét. Việc giảm xuống 80 mm trong trường hợp được thảo luận ở đây sẽ làm cho cả cống thu sàn ở trên và ống thả đứng có đường kính đơn được chấp nhận và thực tế hơn.

Ống8

Thông số ống: ống 1: chiều dài = 450 mm, độ dốc = 0,004 ống 2: chiều dài = 625 mm, độ dốc = 0,037 ống 3: chiều dài = 575 mm, độ dốc = 0,014 ống 4: chiều dài = 300 mm, độ dốc = 0,210 ống 5: chiều dài = 250 mm, độ dốc = 0,017 ống 6: chiều dài = 550 mm, độ dốc = 0,025 ống 7: chiều dài = 900 mm, độ dốc = 0,027 ống 8: chiều dài = 525 mm, độ dốc = 0,069 ống 9: chiều dài = 1000 mm, độ dốc = 0,046 Ống 7 Ống 9 giao 3

Điểm giao 4

Kết thúc ống xả thải

Tốc dộ dòng chảy (l/s)

tốc độ dòng chảy ở cuối hạ lưu của nhánh WC4 độ sâu dòng chảy ở cuối hạ lưu của nhánh WC4

Thời gian (s) Bố trí mạng lưới

Hình 9.5: Dự đoán khoảng giao động của tốc độ dòng chảy và độ sâu khi vận hành WC 1 (thể tích xả 6 lít) ở 0 giây

Ở quy mô lớn hơn, câu hỏi về ngôi nhà thích hợp để thu thập đường kính ống nước và số lượng nhà có thể được bảo dưỡng an toàn theo một đường kính ống nước cụ thể cũng là chủ đề áp dụng của mô hình DRAINET. Hình 9.6 minh họa việc sử dụng thiết bị giả định trong các ngôi nhà của một gia đình trong một khu đất. Để xác định đường kính ống nước phù hợp cho một số ngôi nhà cụ thể, người ta giả định rằng tải trọng cao điểm sẽ xảy ra trong ‘giờ cao điểm’ buổi sáng và phân tích thống kê cho rằng mô phỏng 9 ngôi nhà trong khoảng thời gian 30 phút sẽ cung cấp dữ liệu được yêu cầu. Hình 9.7 và 9.8 minh họa cách bố trí hệ thống thoát nước được chọn và độ sâu dòng chảy khi vào và ra khỏi mạng lưới. Rõ ràng là có thể giảm đường kính ống nước hoặc tăng số lượng nhà ở được phục vụ. Có lẽ thực tế thú vị nhất xuất hiện từ nghiên cứu này là độ sâu dòng chảy cực thấp liên quan đến ngay cả tải trọng mức đỉnh được giả định. Điều này, như sẽ thấy ở phần sau, có tác động trực tiếp đến quá trình vận chuyển và lắng đọng chất rắn, dẫn đến một số hậu quả cho việc bảo trì, vì lượng nước xả giảm hơn nữa và việc tiết kiệm nước trong thiết kế của các thiết bị khác trở thành hiện thực.

Việc đưa một chất rắn chuyển động vào phương pháp mô hình đặc trưng đòi hỏi phải phát triển một điều kiện biên phù hợp để liên kết vận tốc của chất rắn với điều kiện dòng chảy tại vị trí chất rắn tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào. Hình 9.9 minh họa các điều kiện dòng chảy trong vùng lân cận của chất rắn. Khi thực hiện quan sát về hoạt động thực tế của hệ thống thoát nước, Bokor (1982), McDougall (1995), McDougall và Swaffield (2000) chỉ ra rằng đối với một tỷ lệ lớn chất rắn thải ra, tức là khăn giấy, giấy vệ sinh, phân, vận tốc chất rắn có thể xấp xỉ b ằng mối quan hệ dựa trên vận tốc dòng chảy cục bộ.

Mô hình này sẽ giữ lại tất cả các ưu điểm của phương pháp dự đoán đặc tính của các hiệu ứng suy yếu sóng trong việc xác định vận tốc dòng chảy cục bộ tại vị trí chất rắn, nhưng xét trên mọi khả năng sẽ đánh giá thấp hơn một chút khoảng cách vận chuyển chất rắn vì sự giao thoa chất rắn với độ sâu dòng chảy cục bộ sẽ bị bỏ qua. (Trong giai đoạn sau của quá trình vận chuyển, khi chất rắn giảm tốc, chênh lệch độ sâu dòng chảy tích tụ trên chất rắn sẽ tăng cường các lực khuyến khích chuyển động tiếp tục, tuy nhiên, có thể lập luận rằng chúng được bao gồm một cách hiệu quả trong mối quan hệ thực nghiệm vận tốc chất rắn - vận tốc dòng cục bộ được phát triển bởi McDougall).

Nhà 6 Nhà 5 Nhà 7 Nhà 8 Nhà 9

Nhà 4

Hình 9.7: Sơ đồ bố trí nhà và cống thu gom

Tốc độ dòng chảy ở cuối hệ thống

Tốc độ dòng chảy (l / s)

Độ sâu dòng chảy ở cuối hệ thống

Tốc độ dòng chảy từ nhà 1

Thời gian

Hình 9.8: Tốc độ dòng chảy tổng và độ sâu ở cuối hệ thống đối với ống đường kính 100 mm,

mm, cùng với tốc độ dòng chảy từ Nhà 1

Độ sâu dòng chảy (mm)

McDougall (1995) đã phát triển một mô hình vận tốc chất rắn tương thích với phương pháp mô phỏng đặc tính của các dòng chảy trên bề mặt tự do không ổn định trong các nhánh nằm ngang. Phương pháp đặc tính dự đoán chính xác vận tốc và độ sâu dòng chảy cục bộ dọc theo cống tại bất kỳ thời điểm nào để đáp ứng với bất kỳ sự kết hợp xả thải nào của thiết bị. Nếu mối quan hệ giữa các điều kiện dòng chảy cục bộ này và vận tốc của chất rắn có khối lượng và kích thước đã biết có thể được xác định thì việc dự đoán về hiệu suất vận chuyển chất rắn sẽ có thể thực hiện được. Công việc thử nghiệm đã cung cấp dữ liệu liên kết giữa độ sâu và vận tốc dòng chảy trong cống có đường kính từ 75 đến 150 mm và phạm vi độ dốc thích hợp cho cả dòng chảy tới hạn và siêu tới hạn ổn định với vận tốc đo được của chất rắn thử nghiệm được xác định theo đường kính của chúng, 20 đến 50 mm và trọng lượng riêng, 0,4 đến 1,6. Các chất rắn được chọn có nguồn gốc từ những chất rắn được sử dụng trong nghiên cứu trước đó của Cục Tiêu chuẩn Quốc gia (Swaffield và Galowin 1992), là các hình trụ rỗng bằng nhựa kín có tỉ trọng được kiểm soát bằng cách đổ đầy chất lỏng thích hợp, được gọi là chất rắn NBS. Sự phụ thuộc của vận tốc rắn vào độ sâu dòng chảy cục bộ, vận tốc trung bình của dòng chảy cục bộ và năng lượng riêng của dòng chảy cục bộ được đánh giá làm cơ sở cho mối quan hệ thực nghiệm. Độ sâu như một yếu tố quyết định duy nhất đã bị loại bỏ vì độ sâu tăng dần xung quanh chất rắn không nhất thiết có nghĩa là tăng vận tốc của chất rắn, ví dụ, tiếp cận vật cản hoặc trong vùng dòng chảy dưới điểm tới hạn ở phía trên của một điểm giao nhau (chương 8).

Miệng cống

Người ta quyết định rằng vận tốc chất rắn là một hàm của vận tốc dòng chảy trung bình cục bộ là yếu tố xác định tốt nhất trong quá trình chuyển động của chất rắn, với độ sâu dòng chảy là yếu tố quyết định sự bắt đầu chuyển động của chất rắn lắng đọng trong ống nước. Hình 9.10 minh họa mối quan hệ này đối với tổ hợp cụ thể chất rắn NBS/đường kính cống/ độ dốc khi tốc độ dòng chảy được áp dụng tăng lên. Một số khu vực có thể được xác định. Đây có thể được coi là một cách tiếp cận giảm vận tốc vì vận tốc

chất rắn được liên kết với vận tốc dòng chảy trung bình cục bộ. Ban đầu, chất rắn vẫn lắng đọng trên phần đảo ngược của cống, vùng 1, cho đến khi tốc độ dòng chảy đủ để bắt đầu chuyển động. Trong vùng 2, vận tốc chất rắn tăng khi tăng vận tốc dòng chảy nhưng chậm lại cho đến khi tốc độ dòng chảy tăng đến một giá trị được xác định là điểm bắt đầu của vùng 3 - lưu ý sự thay đổi độ dốc của vận tốc chất rắn so với dòng tốc độ phù hợptương ứng với một dòng chảy độ sâu gần tương đương với đường kính vật rắn

Trong vùng 2, vận tốc chất rắn tăng theo vận tốc nước xung quanh, tuy nhiên, chất rắn nói chung vẫn tiếp xúc trượt với đường ống đảo ngược. Tầm quan trọng tương đối của mỗi khu vực thay đổi theo các đặc tính chất rắn. Như mong đợi, đường kính của ống có rất ít ảnh hưởng, chính độ sâu dòng chảy cục bộ xung quanh chất rắn sẽ quyết định lực nổi. Hình 9.10 cũng chỉ ra những thay đổi trong mối quan hệ nếu độ dốc của ống, đường kính và độ nhám hoặc các thông số của chất rắn về đường kính và trọng lượng riêng bị thay đổi. Dạng của mối quan hệ vận tốc rắn - dòng chảy xung quanh được đánh giá cao là chỉ ra rằng trong vùng 2, nước xung quanh truyền chất rắn để vị trí tương đối của nó trong dòng chảy dịch chuyển trở lại.

Độ sâu tối thiểu phía trước vật rắn tại điểm B

Chiều sâu giảm dần theo chiều dài của vật rắn C → D

Độ sâu cực đại tại A khi Vs = 0

Nút

Hình 9.9: Các điều kiện dòng chảy xung quanh vật rắn loại NBS và minh họa về kỹ thuật tính toán được sử dụng để theo dõi đường đi của vật rắn thông qua phương pháp đặc trưng khoảng thời gian xác định theo lưới x − t

Vùng 2

Tăng độ dốc đường ống Tăng độ nhám của đường ống Tăng đường kính ống

Tăng đường kính chất rắn Tăng trọng lượng riêng của chất rắn

Vận tốc dòng chảy

Vận tốc chất rắn

Tốc độ dòng chảy (l / s)

Hình 9.10: Hình minh họa về định dạng của mô hình vận chuyển chất rắn McDougall cho trường hợp vật rắn NBS đường kính 38 mm có trọng lượng riêng 1,05 trong một ống ngang đường kính 100 mm ở độ dốc 0,01

Sau đó, vận tốc cục bộ của chất rắn có thể được tính từ độ sâu dòng chảy cục bộ và vận tốc được tính đầy đủ theo phương pháp đặc trưng (hình 9.9). Mô hình có thể được thực hiện để xử lý nhiều chất rắn đóng lại hoặc hợp nhất bằng cách đưa ra một sự thay đổi trong hình thức của mối quan hệ để phù hợp với một số chất rắn hợp nhất lớn hơn, tuy nhiên, mô phỏng hiện đang được phát triển để cho phép xử lý các chuỗi chất rắn, như được mong đợi khi ta xả WC hoặc trong quá trình kết hợp xả thải từ các WC liền kề.

Mô hình này cung cấp cho nhà thiết kế một phương pháp luận nhanh chóng để xác định cả khả năng lắng đọng chất rắn và các giải pháp thiết kế bằng cách điều chỉnh độ dốc ống, đường kính hoặc lựa chọn thiết bị. Quay trở lại ví dụ về cống nước thu gom tại nhà ở, hình 9.11 minh họa dữ liệu về lắng đọng chất rắn được dự đoán cho việc đánh giá đường kính cống thoát nước sinh hoạt được minh họa trong hình 9.7.

CÁC CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN CHẤT RẮN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG TẠM THỜI

% chất rắn lắng đọng

Cống trong nhà Cống gom Cống gom

Hình 9.11: Sự phân bố lượng bồi tụ dự báo trong mạng lưới thoát nước sau khi xả chất rắn từ các nhà vệ sinh trong mỗi ngôi nhà được mô hình hóa, Hình 9.7

Vw - vận tốc sóng trên bề mặt

Sự giảm tốc của chất rắn thứ 2 khi không có chất rắn 1

Biểu đồ vận tốc của chất rắn đối với hai chất rắn tương tác, lưu ý trình tự lặp lại b – e

Hình 9.12: Sự tương tác giữa một loạt chất rắn được vận chuyển trong sóng suy giảm xả thải của thiết bị hoặc do thiết bị xả thải liên tiếp

Hoàn toàn sai lầm khi tưởng tượng rằng chất rắn thải ra từ WC thoát ra khỏi mạnglưới điển hình là kết quả của hoạt động ở một WC đơn lẻ. Cơ chế vận chuyển chất rắn thay vì được thể hiện dưới dạng giản đồ ở hình 9.12 và hình 9.13, được rút ra từ quan sát của Boker về hoạt động thoát nước WC thực tế trong khoảng trống giữa các tầng của Bệnh viện Greenwich vào đầu những năm 1980, và được thảo luận thêm trong chương 12. Lưu ý rằng hình 9.13 sử dụng trục x được xác định là gốc của khoảng cách vận chuyển chất rắn qua độ dốc cống, một nhóm được tìm thấy là tạo thuận lợi cho việc so sánh hiệu suất vận chuyển chất rắn giữa chất liệu ống và độ dốc (Swaffield và Galowin 1992).

Chất rắn giảm tốc sau khi xả thải và có thể bị lắng lại, như được minh họa đối với chất phân nặng hơn, là chất rắn thứ ba trong hình 9.13. Tương tự, chất thải thải ra muộn trong quá trình xả nước có thể dễ bị lắng đọng, được chứng minh bằng dữ liệu của giấy ăn, chất rắn thứ tư, bao gồm trong hình 9.13. Một loạt các chất rắn được xả ra trong cùng một dòng nước sẽ tương tác với nhau, với các chất rắn ở phía sau thường đóng két lại với những chất phía trước và gây ra gia tốc quay lại trong thời gian ngắn, như được minh họa bằng sự tương tác giữa chất rắn thứ nhất và thứ hai trong hình 9.13. Các hoạt động WC sau này, hoặc xả các thiết bị khác có ảnh hưởng đến việc di chuyển chất rắn. Khoảng cách di chuyển cuối cùng phụ thuộc vào thiết kế của mạng lưới thoát nước, các đặc tính của chất rắn và quan trọng nhất là sự suy giảm của bất kỳ sự xả thải tiếp theo nào vào cống. Sự xả thải sau đó mang theo chất rắn có một tác động cụ thể khi các chuỗi chất rắn tương tác như hình minh họa.

Tương tác của chất rắn, tăng tốc độ chất rắn dẫn đầu

Chất rắn thứ nhất, phân 1 “

Chất rắn thứ 2, phân 2 “

Chất rắn thứ 3, phân 6 “

Chất rắn thứ 4, giấy ăn 6 “ (Khoảng cách vận chuyển / độ dốc)

Vệt chất rắn lắng đọng

Hình 9.13: Các phép đo vận chuyển phân và giấy trong một mạng lưới thoát nước đã lắp đặt. Tương tác chất rắn - chất rắn ảnh hưởng đến vận tốc của chất rắn trong khi chất rắn theo sau được lắng đọng bởi sóng xả thải giảm dần

Ảnh hưởng của việc xả thải WC nhiều lần đến sự lắng đọng cuối cùng của một chất rắn cụ thể được minh họa bằng mô hình trong hình 9.14. Tại Hoa Kỳ, sự ra đời của loại xả 6 lít bắt buộc vào năm 1992 đã mở ra thị trường cho một số cơ chế xả đổi mới. Bể chứa van xả truyền thống được nối với một bể chứa điều áp bao gồm một bể chứa được làm đầy từ ống chính để áp suất có sẵn khi xả là áp suất nguồn. Trong khi đây được coi là một nhà vệ sinh, những thiết bị như vậy đã phổ biến trong lịch sử ở Pháp nhưng không có bình tích áp được “ẩn” trong một bể chứa bằng gốm truyền thống. Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được coi là có sai sót vì họ cho rằng quãng đường di chuyển cuối cùng của một chất rắn duy nhất đạt được bởi bể chứa trọng lực, và sau nhiều lần xả, có thể vượt quá so với bể chứa áp lực mặc dù thực tế là trong lần xả đầu tiên hoặc lần thứ hai, chất rắn lắng đọng di chuyển xa hơn trong hệ thống có lắp bể chứa áp suất của WC.

Lịch sử vận chuyển chất rắn trong bể chứa WC áp suất

Khoảng cách tổng vận chuyển chất rắn đơn, m

Lịch sử vận chuyển chất rắn

WC thải ra ở khoảng thời gian 40 giây. Chất rắn chỉ thải trong lần đầu tiên

Lưu lượng xả WC, lít / s.

Hình 9.14: Hiệu suất vận chuyển so sánh đối với một chất rắn đơn WC 6 lít xả ra cống có đường kính 100 mm ở độ dốc 0,01.

Chất rắn đơn trong lần xả nước đầu tiên khoảng cách vận chuyển tích lũy lớn hơn với bể chứa trọng lực từ lần xả thứ 10 trở đi

‘Phạm vi tối đa’ cho hoạt động của bể chứa áp suất và trọng lực

rắn trong bể chứa WC trọng lực

So sánh đặc điểm xả của bể chứa WC trọng lực và áp suất

Bể chứa áp suất

Bể chứa trọng lực

đơn lẻ trong lần xả đầu tiên từ bể chứa trọng lực hoặc áp suất xả 0,01. Đường kính 38 mm mô phỏng 1,05 sg chất rắn NBS

Mạng lưới thoát nước của tòa nhà hiếm khi hoàn hảo. Điều kiện lắp đặt thường khó khăn và có thể dẫn đến các khiếm khuyết về độ dốc của ống khác với yêu cầu thiết kế. Tương tự, các vật cản có thể gặp phải, có thể xuất phát từ kỹ thuật nối kém hoặc sự xâm nhập của rễ cây dưới mặt đất; xem thêm bảng 12.5. Các vật liệu thải ra từ WC liên tục mắc kẹt cũng có thể dẫn đến việc tạo nên các vật cản đáng kể. Mô hình DRAINET đã được cải tiến, sau một loạt các khảo sát địa điểm, để bao gồm các điều kiện biên đại diện cho cả hai loại khiếm khuyết này (Swaffield, McDougall và Campbell 1999).

Hai loại khiếm khuyết chính đã được giải quyết, đó là khiếm khuyết về độ dốc so với yêu cầu thiết kế và các vật cản cục bộ làm giảm đường kính ống. Một cuộc khảo sát về khiếm khuyết của độ dốc đã được thực hiện trên một km trong số 24 km đường ống thủy tinh tạo nên mạng lưới thoát nước thông tầng tại Trung tâm Y tế Queen’s Nottingham.

Xuất hiện khiếm khuyết Độ dốc cục bộ - độ dốc thiết kế

Hình 9.15: Phân bố sự cố xuất hiện khiếm khuyết về độ dốc

Độ dốc cống giả định được xác định bằng cách tham chiếu đến cao độ của các đầu nối nhánh liên tiếp và sau đó so sánh với độ dốc của đoạn ống cục bộ tạo nên chiều dài đường ống tổng thể giữa các điểm nối. Dữ liệu về lỗi về độ dốc khác được thu thập từ tòa nhà Cầu George IV của Hội đồng Khu vực Lothian bên dưới bãi đậu xe trên mặt đất và Bệnh viện Roodlands, nơi hệ thống thoát nước được lắp đặt trong đường ống ở tầng dưới. Phương pháp đo lường tương tự đã được sử dụng ở tất cả các địa điểm được khảo sát. Kết quả của cuộc khảo sát về khiếm khuyết độ dốc được tóm tắt trong hình 9.15, minh họa một biểu đồ phân bố cho tất cả các đoạn ống được xem xét bất kể đường kính hoặc vật liệu và có thể được coi là phân phối chuẩn cho sai số giữa độ dốc đoạn thực tế và độ dốc thiết kế tổng thể. Kết quả này có thể được sử dụng để xác định độ dốc thực tế trong hệ thống thoát nước nhiều đoạn ống chạy giữa hai cao độ cố định. Dữ liệu thực địa ở trên được thu thập cho thấy rằng các khiếm khuyết về độ dốc của đoạn cống trong quá trình lắp đặt được các nhân viên vận hành sửa chữa tổng thể và có thể được biểu thị bằng biểu đồ phân bố khiếm khuyết được minh họa.

Điều này sẽ làm tăng số lượng đường ống được xem xét trong bất kỳ mô phỏng nào và sẽ đưua ra các điều kiện biên thích hợp cho sự thay đổi độ dốc được thảo luận trong chương 8, tuy nhiên, nếu được yêu cầu, đây sẽ không phải là trở ngại cho mô phỏng.

CI Gang

CON Bê tông

PF sợi hắc ín

PVC Nhựa (polyvinyl clorua)

VC Đất sét thủy tinh

B (j) Đường ống bị vỡ (ở j m)

C (j) Vết nứt (tại j m.)

CY kết nối bị lỗi

D% Đường ống bị biến dạng,% mất đường kính

DE (j) Mảnh vỡ,% giảm chiều cao, (trên j m)

DI% đảo ngược nhỏ giọt,% đường kính

E% lớp cặn,% mất diện tích mặt cắt

F (j) Gãy ở j m I ngấm nước

JD dời mối nối

JY Mối giao nhau bị lỗi

OB% tắc nghẽn,% hao hụt đường kính

RF (j) Rễ mịn (ở j m)

RM% khối lượng rễ,% mất diện tích mặt cắt

RF (j) Rễ mịn (ở j m)

Y Ống bị sập

Bảng 9.6: Các từ viết tắt được sử dụng trong Bảng 9.7 để mô tả nhận dạng khiếm khuyết cống

Cuộc khảo sát về vật cản đã xem xét các cuộc khảo sát CCTV do London Underground Ltd (LUL) thực hiện như một phần của chương trình tân trang nhà ga. Dữ liệu được trình bày đại diện (bảng 9.6 và 9.7), khoảng 6 km đường ống thoát nước chủ yếu được chôn lấp, với độ tuổi khoảng vài thập kỷ. Dữ liệu là điển hình của hệ thống thoát nước đã được sử dụng trong một thời gian, tuy nhiên, vì một số đoạn phim đề cập đến các cuộc điều tra cụ thể về các khiếm khuyết đã biết, các khiếm khuyết được tìm thấy trong các hệ thống hiện có sẽ được thể hiện bằng mức độ ít nghiêm trọng hơn so với các khiếm khuyết được trình bày.

Bảng 9.7: Trình bày tóm tắt các khiếm khuyết được tìm thấy theo vật liệu và đường kính ống. Các khiếm khuyết ảnh hưởng đến hơn 50% đường kính ống hoặc diện tích dòng chảy mặt cắt ngang đã được loại trừ và điều này ảnh hưởng đến tỷ lệ được trình bày.

Loại ống

Chiều dài (m)

Một số khiếm khuyết xảy ra thường xuyên hơn trên một số đường ống so với những đường ống khác, ví dụ, sự đóng cặn hầu như chỉ xảy ra trên đường ống bằng gang, xuất hiện trên các bản ghi camera quan sát là sự kết hợp của gỉ và chất thải khô. Ngoài ra, một số khiếm khuyết chỉ ảnh hưởng đến các đường ống ngầm và có thể được giảm nhẹ trong việc mô phỏng các hệ thống trên mặt đất. Các khiếm khuyết về mối nối rõ ràng áp dụng cho cả hai loại lắp đặt, tuy nhiên, có các loại mối nối khác nhau được xem xét tùy thuộc vào ứng dụng.

Việc kết hợp khiếm khuyết vào phương pháp mô phỏng đặc trưng chỉ đơn giản là một trường hợp đưa ra một điều kiện biên phù hợp để xác định khiếm khuyết cản trở hoặc độ dốc. Trong trường hợp có vật cản, công trình thử nghiệm đã xác định một loạt các biểu thức liên kết độ sâu cục bộ tại vật cản với điều kiện dòng chảy cục bộ được xác định bởi độ sâu tới hạn của dòng chảy, chương 8, và độ dốc cống (hình 9.16).

Với các điều kiện biên được thực hiện, mô phỏng sẽ dự đoán ảnh hưởng của sự khiếm khuyết. Hình 9.18 minh họa sự so sánh vận chuyển chất rắn được dự đoán và đo được trong cống đường kính 75 mm với một trong hai dạng khuyết tật. Khi nước xả WC nhỏ dần dọc theo bất kỳ cống nào, vị trí của khiếm khuyết liên quan đến lối vào cống sẽ trở thành một yếu tố xác định ảnh hưởng của nó đối với việc vận chuyển chất rắn. Vị trí của chất rắn trong WC xả và hình thức của việc xả WC cũng ảnh hưởng đến vận chuyển chất rắn.

Những mối quan hệ tương hỗ này giải thích sự cần thiết của một mô phỏng như DRAINET để giải quyết việc vận chuyển chất rắn. Hình 9.19 minh họa ảnh hưởng của một khiếm khuyết cụ thể đối với sự lắng đọng chất rắn trong cống có đường kính 75 mm ở độ dốc 0,01 sau khi xả chất rắn từ WC có thể tích xả 6 lít lý tưởng, chất rắn rời ra ở giai đoạn xả 50%.

Hình 9.16: Sự gia tăng độ sâu cục bộ do mối nối hoặc khớp nối không được căn chỉnh

Ống 2

Ống 1 Ống 3

Hình 9.17: Tính toán độ sâu và mặt cắt nước ngược trong trường hợp đoạn ống bị tụt lùi

Khi vị trí của khiếm khuyết liên quan đến lối vào cống bị thay đổi, ảnh hưởng của nó đối với sự lắng đọng chất rắn sẽ thay đổi. Trong khi khiếm khuyết nằm gần lối vào cống, nó làm giảm đáng kể cả sự lắng đọng chất rắn sau đó xảy ra ngoài khiếm khuyết ở một khoảng cách tổng thể ngắn hơn đáng kể so với khoảng cách đạt được trong cống không có lỗi.

Tuy nhiên, khi vị trí khiếm khuyết càng xa lối vào cống, ta sẽ đạt được một điểm mà chất rắn lắng đọng tại hoặc ở phía trên của khiếm khuyết do tương tác với mặt cắt thủy lực và hiện tượng nước ngược liên quan. Trong vùng này, độ sâu dòng chảy cục bộ tăng lên và làm giảm vận tốc chất rắn dẫn đến lắng đọng ở đoạn cống ‘xuống dốc’ mang bước nhảy thủy lực hoặc ở đoạn ‘lên dốc’ của khiếm khuyết, hình 9.17.

CÂN NHẮC

LƯU LƯỢNG MÁNG XỐI

Dòng chảy trong máng xối trên mái trong và sau cơn bão là dòng chảy bề mặt không ổn định, tuy nhiên, hướng dẫn thiết kế tập trung vào việc xác định khả năng dòng chảy ‘an toàn’ dựa trên dữ liệu trạng thái ổn định. Việc phát triển các mô phỏng dòng chảy không ổn định được lấp đầy một phần nhằm mục đích thiết kế hệ thống thoát nước của tòa nhà, và nó cũng tạo ra các mô phỏng khả thi có khả năng xác định phản ứng của dòng chảy trên mái đối với dòng chảy bên phụ thuộc vào thời gian và vị trí bằng phương pháp đặc trưng với việc áp dụng giải pháp của các phương trình St Venant. Dòng bên đi vào được bao gồm trong phương sai tổng. Giải pháp yêu cầu xác định các phương trình biên ở đầu cuối thượng lưu và hạ lưu của máng xối. Ngoài ra, mô phỏng yêu cầu bước thời gian tính toán phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy cục bộ và vận tốc truyền sóng, tiêu chí Courant.

Ở cuối hạ lưu của rãnh nước, ranh giới được cung cấp bởi mối quan hệ giữa dòng chảy và độ sâu được giả định cho đầu ra. Giả định phổ biến nhất là một sự cố rơi tự do ở độ sâu tới hạn sao cho ranh giới hạ lưu có thể được biểu thị bằng

Vận tốc vận chuyển chất rắn (m/s)

Mô phỏng khiếm khuyết độ dốc Mô phỏng chướng ngại vật Đã đo được chướng ngại vật Đo khiếm khuyết độ dốc

Khoảng cách từ lối vào cống

Hình 9.18: So sánh vận tốc vận chuyển chất rắn đo được và dự đoán trong cống đường kính 75 mm ở độ dốc 0,01 với vật cản 20 mm hoặc khiếm khuyết về độ dốc 10 mm cách cửa cống 7m, mang dòng chảy 1,0 l / s

trong đó A và T là các hàm của h. Hoặc nếu một mối quan hệ dựa trên thực nghiệm của biểu mẫu

có sẵn sau đó có thể được sử dụng. Dạng của mối quan hệ này cũng có thể thay đổi theo độ sâu, mô phỏng lưu trữ các giá trị của các hệ số xác định, K và n, và sử dụng bất kỳ cặp nào phù hợp với lưu lượng tiếp cận. Tại điểm kết thúc của máng xối ngược dòng, điều kiện biên được cung cấp bởi điều kiện dòng chảy bằng không

Biểu diễn ma sát trong phương trình động lượng được cung cấp thông qua một ứng suất cắt thích hợp. Trong thực tế, điều này phải được chuyển đổi thành một trong hai biểu diễn ma sát có sẵn cho dòng kênh bề mặt tự do - cụ thể là phương trình Che´ zy sử dụng hệ số Manning hoặc phương trình Colebrook-White, chương 8. Nói chung, phương trình sau được chấp nhận vì càng chính xác cho các kênh hở có đường kính dưới 1 m. Cho dù phương pháp luận nào được sử dụng, các thuật ngữ lực cản dòng ổn định tương đương, hệ số ma sát tạo ra Manning n hoặc Colebrook-White sẽ đánh giá thấp hơn tổng các lực cản do sự gián đoạn dòng gây ra bởi dòng chảy bên (Mein và Jones 1992, tháng 5 năm 1982), xem chương 13 .

Mô phỏng GUTTER, được so sánh với dữ liệu lịch sử được quy cho Beij (1934) (hình 9.20) đối với máng xối tiết diện hình chữ nhật ở hai sườn dốc và sử dụng cả hệ số ma sát Manning n và Colebrook-White. Theo Mein và Jones (1992), có thể thấy rằng việc điều chỉnh Manning n giữa 0,009 và 0,012 cho phép thống nhất chặt chẽ với dữ liệu được ghi lại bởi Beij (1934). Tuy nhiên, để mô phỏng được chính xác, nó phải dựa trên kiến thức về các điều kiện của máng xối hơn là sự phù hợp đường cong sau đo. Sử dụng biểu thức Colebrook-White với độ nhám bề mặt 0,3 mm thích hợp với vật liệu làm máng xối bằng gang mang lại các dự đoán có thể chấp nhận được về độ sâu dòng chảy, nghĩa là trong vòng 5% tại bất kỳ vị trí nào ở cả hai độ dốc (hình 9.20), khẳng định tính ưu việt của Phương pháp tiếp cận Colebrook− white đã được xác định cho các điều kiện dòng chảy bề mặt hoặc dòng chảy tự do được lấp đầy một phần khác (Swaffield và Bridge 1983, ASCE 1963 và Ackers 1978).

Trong mỗi trường hợp, sự thống nhất chặt chẽ đạt được trên toàn bộ chiều dài của máng xối xác nhận khả năng ứng dụng và tính ổn định của mô hình. Hình 9.21 minh họa ứng dụng của GUTTER để dự đoán độ sâu dòng chảy trong máng xối đối với cường độ cơn bão. Bản chất phụ thuộc theo thời gian của các điều kiện dòng chảy máng xối được minh họa rõ ràng. Việc áp dụng các kỹ thuật mô phỏng cũng cho phép biểu diễn các biến đổi theo chiều dọc cũng như theo thời gian của dòng chảy bên dọc theo máng xối, như có thể xảy ra với các cấu trúc mái phức tạp.

Xả thải chất rắn

xả (l / s)

Vị trí lắng đọng chất rắn so với đỉnh khiếm khuyết (m)

Đường ống: tổng chiều dài 25 m, đường kính 75mm. ở độ dốc 0,01

Khiếm khuyết: Độ lùi 1 m ở độ dốc –0,005, hiệu chỉnh 1 m về đường rơi ban đầu

Thời gian (s)

Lắng đọng ngoài khiếm khuyết Lắng đọng trước khi gặp khiếm khuyết Đỉnh của khiếm khuyết, mét từ lối vào cống

Hình 9.19: Ảnh hưởng của vị trí khiếm khuyết độ dốc đến sự lắng đọng chất rắn ở hạ lưu của một WC xả thể tích 6 lít lý tưởng trong một cống dài 25 m, đường kính 75 mm ở độ dốc thiết kế 0,1

Ranh giới thượng nguồn được cung cấp bởi vận tốc dòng chảy bằng không

Máng xối dốc, k = 0,3 mm

Máng xối cấp, k = 0,3 mm

Máng xối dốc, n = 0,0012

Máng xối cấp, n = 0,009

Độ sâu trong máng xối bằng phẳng, Beij Độ sâu trong máng xối dốc, Beij

Máng xối dốc

Máng xối cấp

Khoảng cách từ đầu thượng lưu của máng xối, m

Hình 9.20: So sánh độ sâu dự đoán với độ sâu do Beij đo được đối với máng xối hình chữ nhật, rộng 153 mm, dài 9,63 m, vận chuyển 330 l / phút

Phương pháp đặc trưng được áp dụng để mô hình hóa quá độ áp suất không khí biên độ thấp trong hệ thống thông hơi thoát nước

Cơ chế cơ bản xác định chế độ áp suất không khí trong các hệ thống thoát nước và thông gió của tòa nhà là sự hút không khí được tạo ra bởi màng nước hình khuyên chảy xuống trong các ống xả thải dọc của hệ thống. Trong điều kiện ổn định, dòng nước tạo ra luồng không khí cuốn theo ổn định dẫn đến giảm áp suất ma sát trong các phần khô của ống xả thải và ngăn tách tổn thất khi luồng không khí được hút qua các tấm màn nước hình thành tại các điểm nối xả và ở đáy ống xả thải, chương

8. Bất kỳ sự thay đổi nào trong dòng chảy xuống hình khuyên sẽ dẫn đến nhu cầu thay đổi đối với dòng không khí bị cuốn theo và điều này sẽ được thông báo cho toàn bộ hệ thống dưới dạng quá độ áp suất không khí biên độ thấp.

Bất kỳ sự cản trở nào đối với luồng không khí, chẳng hạn như lưu lượng nước quá tải của ống xả thải sẽ tạo ra quá độ lớn hơn lan truyền khắp mạng lưới, thông báo sự thay đổi này trong điều kiện hệ thống. Mối quan tâm chính trong tất cả các phân tích quá độ áp suất không khí là việc bảo quản các màng của bẫy nước trong thiết bị được kết nối với mạng lưới thoát nước. Sau khi được lan truyền, bất kỳ quá độ nào sẽ được truyền đi và phản xạ lại trong hệ thống cho đến khi nó suy yếu hoặc cho đến khi sự thay đổi trong điều kiện hệ thống làm mất tác dụng của nó.

4,0 m từ đầu thượng lưu

0,0 m từ đầu thượng lưu

6,0 m từ đầu thượng lưu

8,0 m từ đầu thượng lưu

Độ sâu tối đa dự đoán từ 5 đến 6 m tính từ

đầu thượng lưu của rãnh nước

Dòng chảy vào bên l / s / m

Cửa xả của máng xối, Điều kiện độ sâu tới hạn được giả định tại đầu ra của máng xối

Áp đặt dòng chảy bên tới máng xối

Hình 9.21: Độ sâu dòng chảy phụ thuộc vào thời gian trong kênh tiết diện hình thang, đáy 0,1 m, dốc nghiêng 45 độ, dài 10 m tại độ nghiêng 0,001. Manning n 0,009

Sự lan truyền của quá độ áp suất không khí có thể được mô hình hóa bằng cách áp dụng phương pháp đặc trưng. Phương pháp luận giống hệt với những gì đã được thảo luận, tùy thuộc vào mô phỏng của sự lan truyền nhất thời trong toàn bộ hệ thống và sự biểu diễn của các ranh giới hệ thống, một lần nữa là chìa khóa để tạo mô hình thành công. Các đường ranh giới có thể bao gồm các đầu ống mở ra khí quyển, có và không có tổn thất cục bộ, các điểm nối của hai hoặc nhiều ống dẫn, có hoặc không có màng nước hình khuyên, các đầu nối có nút chặn nước, van giảm áp và mối liên kết thiết yếu giữa dòng chảy xuống hình khuyên trong ống xả thải và dòng không khí bị cuốn vào.