|
Trạng thái và chế độ của dòng chảy trong mạng lưới thoát nước
Căn cứ vào chức năng của mạng lưới thoát nước là vận chuyển nước thải ra khỏi phạm vi nào đó nhưng phải đáp ứng được yêu cầu:
Vận chuyên nước thải không được lắng đọng cặn trong đường ống;
Kinh tế nhất.
=> Đây là hai yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế => nghiên cứu trạng thái và chế độ của đòng chảy là rất cần thiết.
Đặc điểm của nước thải
Là một loại chất lỏng dưới dạng đa phân tán và được bão hòa bởi các chất keo tụ và huyền phù rất khác nhau. Khối lượng, hàm lượng cặn và các chật bẩn trong nước thải luôn luôn thay đổi theo các giờ trong ngày và theo mùa trong năm.
Trạng thái của dòng nước trong mạng lưới thoát nước
Chảy tầng: Là một dòng chảy mà không có sự xáo trộn giữa các lớp với nhau.
Chảy rối: Các phần tử chất lỏng chảy vô trật tự và hỗn loạn, giữa các lớp dòng chảy có sự xáo trộn vào nhau. Do sự khác nhau về vận tốc giữa các dòng chảy mà tạo thành dòng xoáy. Xoáy từ dưới lòng ống xoáy lên có tác dụng vận chuyển cặn đi theo lòng ống về phía cuối chống lắng cặn.
Chế độ dòng chảy trong mạng lưới thoát nước
Chảy đều: Khi tốc độ trung bình tại các mặt cắt ngang của dòng chảy không thay đổi => chảy đều.
Chảy không đều: Dòng chảy không đều là dòng chảy có tốc độ trung bình tại các mặt cắt không bằng nhau. Trong mạng lưới thoát nước do lưu lượng luôn luôn thay đổi, chất lỏng lại là chất đa phân tán bị lắng cặn, điều kiện thi công không chính xác nên chế độ dòng chảy trong mạng lưới thoá nước là chế độ chảy rồi, không đều, không ôn định.
Khả năng vận chuyển của dòng nước
Qua nghiên cứu các nhà bác học cho thấy rằng những dòng xoáy có trong dòng nước có tác dụng xáo trộn hạt cặn trong nước và có tính chất quyết định đến kết cấu dòng chảy. Trong dòng chảy có vận tốc không để cho cặn lắng thì các hạt rắn phân bố trong nước như sau:
Các hạt nhỏ có đường kính trung bình d = 0.03-0,05 mm sẽ được phân bố đều khắp chiều cao của dòng chảy.
Hạt có đường kính trung bình d = 0,05-0,2 mm thì lắng.
Hạt có đường kính d > 0,2 mm và các cặn vô cơ sẽ lắng theo đường ống. Trong đó, lượng hạt cát chiếm 70-90% (do đó trong hệ thống xử lý nước thải cần có bể lắng cát).
Theo khả năng vận chuyển, mạng lưới thoát nước có thể được chia làm 3 loại:
Có khả năng vận chuyển tốt, tức là không bị lắng cặn;
Có đủ khả năng vận chuyển (cát trôi theo đáy ống).
Không có đủ khả năng vận chuyển: loại này cần phải rửa thường xuyên, tốn kém về chi phí quản lý.
Qua nhiều công trình nghiên cứu, người ta rút ra rằng, khả năng vận chuyển của dòng chảy phụ thuộc vào:
Độ lớn thủy lực của các hạt lơ lửng.
Vận tốc của dòng chảy (đây là thông số quyết định việc vận chuyển các chất lơ lửng trong dòng chảy).
Bán kính thủy lực.
Độ dốc đặt ống.
Độ nhám của lòng ống.
Hàm lượng chất lơ lửng sinh ra khoảng 60 g/người,ngđ, do đó nếu tiêu chuẩn thải nước qo tăng thì hàm lượng chất lơ lửng trong nước thải giảm => vận chuyển dễ hơn.
Những cơ sở tính toán mạng lưới thoát ước trong điều kiện chảy đều
Chế độ dòng chảy nước thải là chảy rối, không đều nhưng trong thiết kế tính toán với dòng
chảy đều vì:
Trong một đoạn ống, lưu lượng nước thải tính toán xem như không thay đổi và được đổ
vào đầu của đoạn ống đó. Do quan niệm như vậy nên gây sai số.
Khắc phục điều này bằng cách tính toán ống càng ngắn càng tốt. Cố gắng thi công càng
chính xác để i = const. Thường xuyên nạo vét để tạo đòng chảy đều.
Nếu tính toán mạng lưới thoát nước theo chế độ chảy không đều thì khối lượng tính toán rất nhiều và không cần thiết.
=> Do đó chỉ dùng 2 công thức tính dòng chảy đều để tính toán:
Công thức lưu lượng không đổi: Q =w.v
Công thức vận tốc: v = C(Ri)1/2
Trong đó:
Q: Lưu lượng (m3/s)
w: Diện tích tiết diện ướt (m2)
v: Vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s)
R: Bán kính thủy lực
P: Chu vi ướt
i: Độ dốc thủy lực (đáy ống)
C: Hệ số Sezi tính đến độ nhám trên bề mặt trong của ống, hình dạng tiết diện ống và thành phần tính chất nước thải.
R = w/P
Hệ số Sezi có thể thính theo công thức sau: C = (1/n).Ry
Trong đó: n là hệ số nhám = 0,012-0,015 phụ thuộc vào vật liệu làm ống và kênh
y là chỉ số mũ, phụ thược vào hệ số nhám, hình dáng, kích thước của ống
y = 2,5n1/2 – 0,13 – 0,15(n1/2 – 0,1). Nếu R < 1 => y = 1,5n1/2
Khi d ≤ 4000 mmthì n = 0,013 => y =1/6
Thay giá trị y = 1/6 và công thức tính C vào công thức tính vận tốc ta có công thức Manning:
Thực tế trong chuyển động, dòng nước thải đã mất đi một ít năng lượng để thắng sức cản của thành ống, độ nhớt của chất lỏng, vận chuyển cặn lơ lửng => i không chỉ phụ thược vào C (i = f(vR, C)). Hệ số sức cản ma sát theo chiều dài λ có thể kể đến độ nhớt và nhiều ưu điểm hơn C (i = f(v, R, λ)).
Độ dốc thủy lực xác định theo công thức Dacxi:
Trong đó:
i: Độ dốc thủy lực
R: Bán kính thủy lực (m)
v: Vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s)
g: Gia tốc rơi tự do (m/s2)
λ: Hệ số sức cản ma sát dọc đường hay còn gọi là hệ số Dacxi
Hệ số ma sát λ có thể xác định theo công thức
Bảng giá trị hệ số nhám
Sự liên kết giữa C và λ:
Từ 2 công thức trên ta có:
Nhờ đó ta có thể biết một hệ số khi biết hệ số kia, nhưng công thức này chỉ đúng với v > 1,5
m/s.
Hình dạng mắt cắt ngang của ống và kênh. Đặc tính thủy lực của chúng
Hình dạng mặt cắt ngang của ống và kênh
Đa số trường hợp đường ống trong mạng lưới thoát nước là đường để vận chuyển nước thải và luôn luôn bị một tải trọng tác động: tải trọng tĩnh, động và các tác động bào mòn…
Do đó hình đáng mặt cắt ngang của ống phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:
Về cơ học: chịu được tác dụng cơ học tốt;
Về thủy lực: bán kính thủy lực lớn;
Về sản xuất: để sản xuất;
Về thi công: thuận lợi;
Về vận chuyển: dễ dàng và an toàn;
Về quản lý: dễ dàng nạo vét, sửa chữa và thay thế.
Nhóm tròn
a, Ống tròn: dùng phổ biến trong mạng lưới thoát nước chiếm 90%
Ưu điểm là tốn ít vật liệu, chịu lực khá, dễ sản xuất, thuận tiện trong thi công, quản lý,vận chuyển, bán kính thủy lực tương đối đạt yêu cầu (tuy không lớn lắm).
b, Ống nửa tròn: dùng khi ống thoát nước đi nông, nắp có thể là một tấm đan bê tông.
c, Ống nửa elip: dùng khi có lưu lượng lớn và cần thiết để giảm chiều dày của thành ống (vì chịu lực tốt) bán kính thủy lực lớn.
d, Ống dạng (d): chỉ dử dụng khi lưu lượng thay đổi.
Nhóm cao
a, Ống hình đứng
b, Ống hình xoan
c, Ống hai nửa tròn có thành ống đứng
d, Ống hình trứng ngược
Ống nhóm cao thường dùng khi lưu lượng lớn, không ổn định và có chiều sâu đặt cống lớn.
Nhóm bẹt
a, Ống đáy lòng mo
b, Ống năm góc
c, Máng chữ nhật
d, Máng hình thang
Nhóm ống bẹt dùng khi lưu lượng lớn và ổn định.
Đặc tính thủy lực của ống
Chỉ xét ống có tiết diện tròn.
Đặc tính thủy lực của ống có tiết diện tròn là khả năng thoát nước lớn nhất của nó ứng với độ
đốc và tiết diện ướt w trong một đơn vị thời gian đã cho. Đơn vị (m3/s).
- Phân biệt giữa lưu lượng và đặc tính thủy lực:
- Cùng đơn vị (m3/s)
- Lưu lượng phản ánh điều kiện khách quan Q = f(N.qo)
- Đặc tính thủy lực phản ánh điều kiện chủ quan Q = f(d.i)
Ta có Q = wv = wC.(Ri)1/2, đối với một đoạn ống đã biết, Q = (R)
Bảng biến thiên R trong ống tròn khi độ đầy thay đổi
|
