Содержание к диссертации
Введение
2. Общая часть 22
2.1. Предварительные сведения 22
2.2. Основные особенности радиальных отстойников 25
2.3. Факторы, обуславливающие эффективность работы радиальных отстойников 29
2.4. Предварительные замечания к методам гидравлического расчета радиальных отстойников 32
2.5. Обзор опубликованных методов гидравлического расчета радиальных отстойников 34
2.5.1. Расчет по нагрузке на І м водной поверхности 34
2.5.2. Расчет по гидравлической крупности 35
2.5.3. Расчет с приближенным учетом турбулентного рассеяния частиц 36
2.5.4. Расчет по взвешивающей составляющей скорости 38
2.5.5. Расчет по обобщенному методу 41
2.5.6. Метод В.А.Клячко и Г.Д.Павлова 42
2.5.7. Метод А.И.Жукова и метод С.М.Шифрина . 45
2.5.8. Метод С.В.Яковлева и В.И.Калицуна . 46
2.5.9. Метод Ч.Г.Нуриева 47
2.5.10. Методы расчета радиальных отстойников, используемых в горно-обогатительной промышленности 48
2.5.11. Статистический метод Г.Д.Павлова 49
2.6. Выводы, вытекающие из рассмотрения опублико ванных методов гидравлического расчета радиальных отстойников 53
2.7. Опыт использования полуэмпирических уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью в гидравлическом расчете горизонтальных отстойников 55
2.8. Цель и задачи, ставящиеся в предлагаемой работе 56
Теоретическая часть
3.1. Модель и уравнения турбулентной диффузии с конечной скоростью 58
3.2. Ограничения,накладываемые на "свойства" взвешенных частиц в предлагаемой модели их движения в радиальном отстойнике 64
3.3. Предлагаемые расчетные схемы (модели) движения потока воды и взвешенных частиц в радиальном отстойнике 67
3.3.1. Расчетная схема движения воды в радиальном отстойнике 68
3.3.2. Принятые модель и уравнения турбулентной диффузии с конечной скоростью в ра-диально растекающемся потоке. Связь параметров, входящих в эти уравнения, с характеристиками турбулентности 70
3.3.3. Рассеяние взвеси в радиально растекающемся потоке 82
Экспериментальная часть 87
4.1. Обоснование принятого способа моделирования в экспериментальных исследованиях 88
4.2. Условия приближенного моделирования 89
4.3. Экспериментальная установка 94
4.4. Измерительная аппаратура и тарировочная установка 100
4.5. Методика тарировки датчиков и настройки основного блока термоанемометра и его линеари-затора 106
4.6. Методика проведения экспериментальных исследований 111
4.6.1. Визуализация течения воздуха на модели 111
4.6.2. Измерение осредненных скоростей скоростной трубкой с использованием микроманометра 112
4.6.3. Методика экспериментов по измерению ос-редненной радиальной скорости и радиальной пульсационной скорости 115
4.6.4. Методика записи автокорреляционной функции радиальной пульсации скорости 117
4.6.5. Эксперименты по определению плотности распределения выпавших частиц на дне в модели радиального отстойника 118
4.7. Результаты экспериментальных исследований турбулентных характеристик потока на модели радиального отстойника 122
4.8. Оценка погрешности измерений 146
4.9. Основные выводы, вытекающие из рассмотрения результатов экспериментов 150
5. Прикладная часть
5.1. Алгоритм и программа численного расчета на ЭВМ предлагаемых уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью в радиально растекающемся потоке 151
5.1.1. Представление предлагаемых уравнений в конечно-разностной форме 151
5.1.2. Граничные условия 153
5.1.3. Условия сходимости решений 159
5.1.4. Краткое описание программы счета 160
5.2. Основные результаты численных экспериментов решения системы предлагаемых уравнений и их сравнение с экспериментальными данными . 162
5.3. Представление предлагаемого метода гидрав лического расчета радиальных отстойников в удобной для инженерного использования форме 170
б. Заключаюшая часть 174
6.1. Основные положения выполненной работы 174
Список литературы
- Основные особенности радиальных отстойников
- Опыт использования полуэмпирических уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью в гидравлическом расчете горизонтальных отстойников
- Расчетная схема движения воды в радиальном отстойнике
- Методика тарировки датчиков и настройки основного блока термоанемометра и его линеари-затора
Введение к работе
В последние годы проблема охраны окружающей среды и ее восстановление становится одной из важнейших задач науки и практики. Интенсивное развитие промышленности, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства предопределили резкое увеличение объемов потребляемой воды /39, 92/ из водотоков и водоемов. В связи с этим процессом из года в год увеличиваются и объемы сточных вод, сбрасываемые в водоемы и реки, которые загрязняют окружающую среду и становятся иногда опасными с точки зрения экологического равновесия отдельных природных комплексов. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года /I/ отмечено: "Увеличить мощности систем оборотного и повторного использования вод, разрабатывать и внедрять на предприятиях бессточные системы водоиспользования. Улучшить охрану водных источников, в том числе малых рек и озер, от истощения и загрязнения. Продолжить работу по охране и рациональному использованию уникальных природных комплексов..."
В решении указанной проблемы существенное значение имеет разработка новых и повышение эффективности работы известных конструкций очистных сооружений, совершенствование методов их расчета.
При подготовке природной (забираемой из источника) воды для нужд различных водопотребителеи, а также в очистке сточных вод промышленности и жилищно-коммунального хозяйства важное место занимает механический способ их очистки, которое осуществляется на основе различных физико-механических процессов (процеживания, отстаивания, фильтрации и др.). Основная часть (50-90$) взвешенных частиц, находящихся в природной или сточной воде, удаляется из состава этих вод путем отстаивания в специальных сооружениях отстойниках.
Наряду с горизонтальными отстойниками, используемыми главным образом в ирригации и гидроэнергетике, в промышленном и бытовом водоснабжении и канализации, для подготовки (очистки) природной воды, а также в процессе очистки сточных вод, перед возвратом этих вод в систему оборотного (повторного) водоснабжения или же - перед сбросом в водоемы и водотоки используются радиальных отстойники.
Эффективность работы радиальных отстойников обуславливается многими факторами. Во всех практических случаях гидравлического расчета радиальных отстойников важными факторами, которые необходимо учесть в первую очередь, чтобы обеспечить достаточно точные для практики результаты, являются неравномерность движения воды в радиальном отстойнике (неоднородность поля средних радиальных скоростей), обусловленная самой ее конструкцией, а также турбулентный характер потока, которым обусловлены хаотические траектории осаждения взвешенных частиц. В отличие от горизонтальных ОТСТОЙНИКОВ, расчет которых в настоящее время основан на многочисленных теоретических и экспериментальных исследованиях продольно-однородных турбулентных потоков, радиальные отстойники рассчитываются на основе весьма грубых предположений. Это связано главным образом с тем, что гидродинамические параметры радиально растекающегося турбулентного потока, определяющие процесс осаждения частиц в радиальных отстойниках, до настоящего времени изучены недостаточно.
Основные особенности радиальных отстойников
Радиальные отстойники применяются в промышленном водоснабжении и канализации в различных отраслях народного хозяйства (в горно-обогатительных, металлургических, целлюлозно-бумажных комбинатах и др. местах), а также в бытовом водоснабжении и канализации. В одних случаях отстаивание в них может являться предварительным этапом обработки вод, в других - окончательным этапом их очистки. В бытовом водоснабжении и канализации диаметры радиальных отстойников обычно составляют $ = 18-54 м /35/, а в промышленном - до $ = 100 м /7, 30/.
Радиальные отстойники различают в основном по конструктивным особенностям впуска очищаемой воды и сбором и отводом очищенной воды /35, 86, 70/:
1) радиальный отстойник с впуском очищаемой воды в центре камеры отстойника через центральный водораспределительный стакан и отводом очищенной воды через периферийный кольцевой водослив по кольцевому лотку;
2) радиальный ОТСТОЙНИК С периферийным кольцевым впуском (по "периметру" отстойника) очищаемой воды и отводом очищенной воды через водосбор, расположенный в центре камеры;
3) радиальный отстойник конструкции И.В.Скирдова, в котором устройство распределения очищаемой воды и сбора очищенной воды расположены на вращающейся ферме;
4) радиальный отстойник конструкции Ф.С.Салахова, в котором и подача и отвод воды осуществляются по периферии.
Радиальные отстойники различаются также по способу удаления выпавших в них частиц (осадка, пульпы):
1) Сбор и удаление осадка механическим способом:
а) сбор осадка при помощи скребков, закрепленных на вращаю щеися ферме в грязевые приямки, и дальнейшее его удаление грязевыми насосами или самотеком под гидростатическим напором воды;
б) осадок удаляется при помощи илососов (рефулеров), всасывающие воронки которых также закрепляются на вращающейся ферме.
2) Удаление осадка гидравлическим способом, при котором осадок самотеком собирается в грязевые приямки, находящиеся у центрального водораспределительного стакана. Для этого дно отстойни -ка имеет соответствующий уклон ( = 0,04-0,1). Из грязевых приямков осадок удаляется также, как в п.п. 1а - либо насосами, либо самотеком.
На практике в подавляющем большинстве случаев применяются радиальные отстойники с механическим способом удаления осадка, в частности - с использованием скребков.
Кроме этого, радиальные отстойники могут различаться по другим конструктивным особенностям, например, по конструкции скребков, илососов, по расположению грязевых приямков и т.д.
В настоящей работе рассматривается гидравлический расчет радиального отстояника наиболее распространенной конструкции - с впуском очищаемой воды через центральный водораспределительный стакан и отводом очищенной воды по периферийному кольцевому лотку (см.рис.2.1). Подразумевается, что удаление осадка (выпавших частиц) осуществляется механическим способом с использованием скребков. В дальнейшем в тексте, если нет специальной оговорки, под термином "радиальный отстойник" (или для краткости - "отстойник") подразумевается именно эта конструкция радиального отстойника.
Опыт использования полуэмпирических уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью в гидравлическом расчете горизонтальных отстойников
В развитие теории турбулентной диффузии А.Д.Гиргидовым на основе предложений В.А.Фока, Е.СЛяпина и А.С.Монина были выведены уравнения турбулентной диффузии с конечной скоростью для двух и трехмерных задач /18, 19, 23, 25, 26/ и предложены расчетные схемы и методы решения гидротехнических задач с использованием этих уравнений /16, 18, 20, 21, 22, 23, 26 и др./. В частности, им был предложен НОВЫЙ метод гидравлического расчета горизонтальных отстойников с использованием названных уравнений и лежащего в основе модели турбулентной диффузии с конечной скоростью /21/. Этот метод дает хорошие результаты в широкой области расчета горизонтальных отстойников /20, 21/: при помощи этого метода можно рассчитывать как ирригационные, так и "энергетические" горизонтальные отстойники.
Самым важным преимуществом модели диффузии с конечной скоростью является ясная физическая интерпретация параметров, характеризующих процесс турбулентной диффузии и входящих в полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии с конечной скоростью; отсюда простое и физически обоснованное установление связи этих па раметров с натурными характеристиками турбулентности. Например, характерную величину вертикальной скорости диффундирования взвешенной частицы и с достаточной точностью для многих практических случаев можно принять равной величине стандарта (среднеквадратичного значения) вертикальной пульсации скорости в потоке fU . Кроме этого, данная модель, в частности, позволяет установить размер взвешенных частиц, которые в данном потоке:
1) осаждаются ( Я/ U% );
2) могут двигаться во взвешенном состоянии ( й &% ). Эти и некоторые другие преимущества модели турбулентной диффузии с конечной скоростью показали перспективность этой модели для решения задач о движении взвешенных частиц в турбулентном потоке и, в частности, - к решению задачи гидравлического расчета радиальных отстойников.
Рассмотрение существующих методов гидравлического расчета радиальных отстойников (п.2.5) и вытекающие из этого рассмотрения выводы (п.2,6), а также знакомство с методом расчета горизонтальных отстойников с помощью уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью (п.2.7) позволили сформулировать цель настоящей работы.
Цель предлагаемой работы - разработать метод гидравлического расчета радиальных отстойников с использованием модели и уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью, который достаточно полно для практических целей учитывал бы основные факторы, определяющие осаждение взвеси и, в частности, неоднородность поля осредненной радиальной скорости, турбулентный характер потока и обуславливаемый этим хаотический процесс осаждения взвешенных частиц. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Предложить модель движения потока воды в радиальном отстойнике и модель движения взвешенных частиц в нем, которые достаточно полно учитывали бы турбулентный характер потока и его влияние на осаждение взвешенных частиц. Для этого использовать модель турбулентной диффузии с конечной скоростью.
2. Составить систему дифференциальных уравнений, описывающих предложенную модель движения взвешенных частиц в турбулентном радиально растекающемся потоке.
3. Провести необходимые экспериментальные исследования, дающие возможность установить значения параметров, определяющих осаждение взвешенных частиц и входящих в составленную систему уравнений турбулентной диффузии с конечной скоростью в радиально растекающемся потоке.
4. Разработать алгоритм решения полученной системы дифференциальных уравнений и составить программу, реализующую его на ЭВМ.
5. Получить решение составленных уравнений в удобной форме для практического (инженерного) приложения.
6. Провести контрольные эксперименты по осаждению частиц в модели радиального отстойника.
7. Предложить инженерный метод гидравлического расчета радиальных отстойников. Дать рекомендации по использованию данного метода и указать границы его применимости.
Расчетная схема движения воды в радиальном отстойнике
Учитывая изложенные выше два обстоятельства и обобщая принятые допущения и условия, отметим, что взвешенные частицы, движения (рассеяние и осаждение) которых в радиальном отстойнике мы схематизируем моделью турбулентной диффузии с конечной скоростью в п.3.3 должны иметь следующие свойства:
I. Пассивность взвеси. Считается, что концентрация взвешенных частиц в воде не оказывает влияния на физические свойства воды и формирование поля актуальной скорости в турбулентном потоке. Как было отмечено выше, это условие обеспечивается при невысоких концентрациях взвеси и не очень больших значениях гидравлической крупности частиц. В случае пассивной взвеси характеристики, измеренные в потоке "чистой" (не содержащей рассматриваемую взвесь) воды, можно использовать для расчета взвешенных частиц в пространстве, занятом таким же потоком, несущим взвесь.
2. Консервативность взвеси. В процессе движения в турбулентном потоке взвешенные частицы, как отдельные объекты, химически не разлагаются (не соединяются) и не изменяют своей геометрической формы и размеров (не деформируются, не дробятся и не агломерируются).
3 Линейные размеры взвешенной астицы пренебрежимо малы по сравнению с пространственными микромасштабами турбулентности.
4. Малая инерционность взвешенной частицы. Считается, что взвешенные частицы в турбулентном потоке "приспосабливаются" к скорости переносящего их элементарного объема воды за время, значительно меньшее, чем время, в течение которого частица переносите ся этим объемом. Это допущение вполне выполняется, если гидравлическая крупность частицы отвечает условию (3.9).
При рассмотрении движения взвешенных частиц с вышеназванными свойствами в турбулентном потоке мы правомерны полагать, что переносная скорость движения взвешенной частицы равна актуальной скорости элементарного объема воды,внутри которого она содержится, а относительная скорость частицы равна ее гидравлической крупности.
Предлагаемые расчетные схемы (модели) движения потока воды и взвешенных частиц в радиальном отстойнике
В основу предлагаемого метода гидравлического расчета радиального отстойника положены следующие расчетная схема движения потока воды и модель (расчетная схема) турбулентной диффузии с конечной скоростью для взвешенных частиц в нем.
Исходя из реальных (натурных) гидравлических условий работы радиального отстойника принимаем следующую расчетную схему движения воды в нем.
Движение воды безнапорное, установившееся, турбулентное, происходит по радиальным направлениям от центра отстойника к его периферии - осесимметрично радиально растекающееся (см.рис.3.2). При этом отличны от нуля только значенияо осредненной радиальной (продольной) скорости, а значения осредненных тангенциальных (поперечных горизонтальных) и осредненных вертикальных скоростей равны нулю: йг = йґ(Г}2) , (ЗДо) 4 = # СЗ.ІІ) 4S 7- (3.12)
Значение средней (осредненной еще и по вертикали) радиальной скорости U/- постоянно уменьшается вдоль радиуса отстойника (вдоль направления движения), то есть движение воды неравномерное.
Методика тарировки датчиков и настройки основного блока термоанемометра и его линеари-затора
Тарировка датчиков и настройка приборов термоанемометра осуществлялась в соответствии с требованиями инструкций, приложенных к приборам комплекса /102, 103, 104/, и включает следующие основные операции:
1. Приборы термоанемометрического комплекса подключаются к сети и прогреваются в течение не менее чем 1,5 часа, чтобы их собственный нагрев стабилизировался.
2. Координатник с вставленным держателем и датчиком устанавливается в трубу тарировочной установки. Нить датчика устанавливается на уровне оси трубы перпендикулярно направлению движения потока. Держатель, при помощи стандартного кабеля длиной 5 м, подключается к основному блоку 55 MIO. 3. Трубопровод полностью закрывается: полностью закрывается шиберная задвижка, вход закрывается заглушкой. Устанавливается сопротивление датчика в "холодном" состоянии / , то есть - при температуре окружающего воздуха, равной Tg : 4-4-4=4-1 , (4.9) где Цх = 1,0 ом - сопротивление кабеля; R0 - показания 55 ДЗІ, подключенного к 55 МЮ (без подключения линеаризатора 55 ДІ0). Периодически, для контроля, сопротивление Яд предварительно определялось другими приборами. 4. Выбирается температура нагрева нити датчика / из усло вия = 1,40-1,90 (см.ниже) и устанавливается сопротивле ние датчика в нагретом состоянии : где Кнагр — 1+ —їм— " коэффициент нагрева нити датчика термоанемометра; стб - коэффициент, зависящий от материала нити; для вольфрамовой нити аС = 0,38. Полное сопротивление нагретого датчика в кабеле равно %-%+х = %+10 - C4.II) 5. На декадных сопротивлениях основного блока устанавливается значение 1 . По показанию 55 ДЗІ, подключенного к основному блоку (без подключения линеаризатора), определяется напряжение Е0 , соответствующее нулевой скорости. 6. В тарировочной трубе задается максимальная скорость(око -ло 50 м/с)х . На выход основного блока, параллельно с вольтметром 55 ДЗІ, подключается осциллограф СК-8 (или любой другой осциллограф с разрешающей способностью не менее ОД в/см). Включением генератора прямоугольных импульсов, который расположен на основном блоке, на датчик подаются прямоугольные импульсы. Регулированием двух усилителей достигается максимальное приближение выходного сигнала, отображаемого на осциллографе, к виду, приведенному на рис.4.9б. Этим достигается минимальное искажение сигналов датчика в период тарировки и измерений. 7. В тарировочной трубе, по ее оси, по показаниям микроманометра (он подключен к скоростной трубке по оси тарировочной трубы) последовательно устанавливаются четыре значения скорости из предполагаемого интервала измерения осредненных скоростей # ; ъЦ} 1%; 1Ґ ,} причем для удобства вычислений намечается -z = z и if = -l . G 55 ДЗІ снимаются соответствующие этим скоростям значения выходных напряжений (сигналов датчика) }л}3; (см.рис.4.10). 8. К 55 МІ0 подключается линеаризатор 55 ДГО. На 55 ДІ0 устанавливается значение Ш . К выходу 55 ДО подключается вольтметр среднеквадратичных значений 55 Д35, сюда же переклю чается 55 ДЗІ. При закрытой трубе (т.е. при нулевой скорости) проводятся температурная компенсация и "зануление" выходного сигнала (вывод на ноль выходного напряжения на 55 ДІО при #"= 0). 9. По оси тарировочной трубы устанавливается определенное значение скорости, например, 1Г = 20 м/с. Регулирование выход ного линейного усилителя 55 ДІ0 добиваются кратного заданной скорости показания на 55 ДЗІ, например, 4,00. Подбираются постоянные осреднения (время осреднения сигналов) на 55 ДЗІ и 55 Д35. 10. Проверяется правильность установления значения Я# и ре гулировки усилителей на основном блоке 55 МІ0 и линеаризаторе 55 ДІ0. Для этого последовательно задаются несколькими значениями скорости в трубе из предполагаемого интервала изменения осред-ненной скорости. По показаниям, соответственно, 55 ДЗІ и 55 Д35 определяются значения средней скорости U и стандарта пульсаци онной скорости ftf . Устанавливается.соответствие измеренных термоанемометром значений й значениям этой скорости по показаниям микроманометра V ; их разница не должна превышать: в диапазоне средних скоростей до 4 м/с пять процентов от ІГ , а в диапазоне более 4 м/с - двух процентов от 1Г . Определяются значения интенсивности турбулентности на оси потока в трубе: Как известно /78/, большим значениям ІЇ должны соответствовать меньшие значения .
11. Устанавливается определенное значение 1Ґ в трубе (т.е. устанавливается определенный расход) и производятся измерения й и yl/ x в нескольких точках (не менее 7) по радиусу трубы. Строятся эпюры U и fl/ и сравниваются их соответствия известным данным /24, 78/.
12. В случае, когда тарируется новый датчик (или же датчик с вновь наваренной нитью), то необходимо установить в трубе определенную скорость 1Ґ и в течение не менее 2-х часов работы датчика вшсняется нет ли дрейфа в показаниях 55 ДЗІ. Если дрейф существует, то устанавливается причина дрейфа и принимаются меры по его устранению /4/.
