автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидродинамические аспекты развития аварийных ситуаций в трубопроводных системах водоснабжения и водоотведения

На правах рукописи

ЛИ АНАСТАСИЯ КОНСТАНТИНОВНА

Гидродинамические аспекты развития аварийных ситуаций в трубопроводных системах водоснабжения и водоотведения

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мд? 20:2

Новосибирск - 2012

005012191

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и гидравлики в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Научный руководитель: Тарасевич Владимир Владимирович

кандидат физико-математическим наук, доцент

Официальные оппоненты: Файзуллин Рашит Тагирович

доктор технических наук, профессор, Омский государственный технический университет/ проректор по информатизации

Чупин Виктор Романович,

доктор технических наук, профессор, Иркутский государственный технический университет/ директор института архитектуры и строительства

Ведущая организация:

Алтайский государственный технический университет им. Ползунова

Защита состоится « 27 » марта 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г.Новосибирск, ул.Ленинградская, 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан » февраля 2012г.

Ученый секретарь *

диссертационного совета Дяобенко Любовь Федоровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Напорные трубопроводные системы являются ключевым компонентом многих жизненно важных технических объектов (например, водопроводных, канализационных и др. сетей), от надежного функционирования которых во многом зависит развитие промышленности, инфраструктуры населенных пунктов и состояние окружающей среды.

Поэтому крайне важно уметь достаточно точно прогнозировать последствия аварийных ситуаций на этих трубопроводных системах, чтобы снизить возможный ущерб и выбрать наиболее адекватные меры защиты и восстановления. Для правильной оценки последствий аварии необходимо учитывать возникающий при этом интенсивный нестационарный процесс в трубопроводах и оборудовании рассматриваемых систем. В связи с ограниченными возможностями лабораторных испытаний и проведения натурных экспериментов на действующих трубопроводных системах, наиболее целесообразно опираться на математическое и компьютерное моделирование.

Основные результаты настоящей работы, касающиеся методики расчета гидродинамических процессов, рассматриваются на примере таких весьма важных (и достаточно характерных) объектов, как подводный переход водопроводной сети и напорный канализационный коллектор, аварии на которых могут привести к продолжительным по времени перебоям с поставкой воды потребителю или же отводом сточных вод. Последствия аварий на данных сооружениях недостаточно изучены, а так же, в силу своего месторасположения (под водой, под землей) и большой протяженности, локализация места аварии представляет собой достаточно сложную задачу. Поэтому вышеперечисленные вопросы являются актуальными и требуют более тщательного изучения.

Цель исследования:

Расчет и анализ гидродинамических процессов, возникающих при различных аварийных ситуациях в трубопроводных системах рассматриваемого вида, оценка последствий аварий и эффективности защитных мероприятий.

Задачи исследования:

-разработать математические модели нестационарных режимов работы трубопроводов с учетом возникновения разрьюов сплошности потока, и методику расчета таких режимов; -численно проанализировать возможные аварийные ситуации на трубопроводах с учетом гидродинамики переходного процесса; -оценить гидродинамические параметры потоков и последствия возможных аварий;

- оценить эффективность защитной функции обратных клапанов на напорном коллекторе; с учетом параметров нестационарного режима определить наиболее рациональную расстановку обратных клапанов по трассе коллектора.

Достоверность результатов работ обеспечивается использованием моделей и методов, неоднократно проверенных многолетней практикой отечественных и зарубежных исследователей, а также тестовыми расчетами, сопоставлением с известными аналитическими решениями.

Научная новизна работы:

1. Впервые изучен нестационарный процесс на водопроводном подводном переходе, возникающий вследствие аварии (разрушение трубопровода) с истечением под уровень (в наружный водоём); установлены характерные особенности переходного процесса при разрыве одной или двух труб.

2. Впервые рассмотрен динамический процесс на напорном канализационном коллекторе в совокупной работе с противоударными средствами, возникающий при отключении насосной станции;

3. Впервые проведен анализ, позволяющий выявить наиболее уязвимые участки системы; определено оптимальное количество и места установки обратных клапанов для защиты трубопровода;

4. Впервые для трубопроводов рассматриваемого типа установлено, что помимо возникновения разрыва сплошности потока в характерных точках трубопровода, возникают обширные по протяженности зоны кавитационного течения; определены местоположение и динамика зон кавитационного течения;

5. Впервые в математической постановке задачи предложены новые упрощенные подходы описания работы примыкающих внеш-

них частей трубопроводной сети и обратных клапанов с учетом возможного возникновения кавитации.

Положения, выносимые на защиту. 1) Методика и результаты расчетов нестационарных режимов работы трубопроводов, с учетом возникновения разрыва сплошности потока; 2) анализ факторов, влияющих на последствия аварии на подводном переходе в случае разрыва трубопровода; 3) анализ влияния места установки и количества противоударных средств по трассе канализационного коллектора на последствия аварии при обесточивании насосов.

Практическая значимость и реализация результатов работы. 1) Полученные параметры переходного режима могут быть полезны при проектировании дюкерных переходов в отношении повышения надежности их работы, и напорных канализационных коллекторов в области противоударной защиты; 2) Результаты работы были учтены при проектировании напорного канализационного коллектора и выработке противоаварийных мероприятий на подводном переходе через р. Обь; 3) Разработанная методика может быть применена к расчетам других аналогичных трубопроводных систем.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации материалы получены при непосредственном участии автора в постановке задачи о нестационарных режимах работы трубопроводов, разработке и отладке программного обеспечения, подготовке данных для расчетов, выполнении расчетов и анализе полученных результатов.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях в журнале «Известия вузов. Строительство», включенных в список рекомендуемых ВАК РФ изданий, и в одной коллективной монографии.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (2005 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО НГАСУ (Сибстрин) в 2005-2011г.; Всероссийских научных семинарах с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопро-

водных и гидравлических систем» (2006, 2010 гг.); III Международной научно-практической конференции "Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона" (2006 г.); Межрегиональной научной конференции «Третьи Ермаковские чтения «Сибирь: вчера, сегодня, завтра» (2010 г).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 103 наименований. Содержит 154 страницы печатного текста, включает 77 рисунков, 9 таблиц, 39 страниц приложения.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе (Анализ литературы и состояние изучения вопроса) приводится анализ литературы, посвященной различным аспектам моделирования стационарных и нестационарных процессов в трубопроводных системах. Гидравлическому расчету трубопроводных сетей и решению ряда сопутствующих задач посвящены работы А.П. Меренкова и С.Я. Хасилева, H.H. Новицкого, Е.В. Сенновой, O.A. Балышева, Б.М. Кагановича, В.Р. Чупина и их коллег. Проблемами математического моделирования, оптимизации, управления работой трубопроводных сетей занимались М.Г. Сухарев, А.Ф. Воеводин, Р.Т. Файзулин и др. Другой круг работ охватывает нестационарные процессы в трубопроводных сетях. Основой решения задач, связанных с гидравлическим ударом, является теория, созданная Н.Е. Жуковским, получившая своё развитие в работах JI. Аллиеви, JI. Бержерона, Г. Асатура, М.А. Мостко-ва, H.A. Картвелишвили, Г.И. Межоняна, Л.Ф. Мошнина, И.А. Парного, Л.Б. Зубова, Б.Ф. Лямаева, В.М Алышева, A.A. Атавина, В.В. Тарасевича, и др.; из зарубежный исследователей можно выделить О. Шнидера, Л. Бержерона, В. Стритера, Д. Фокса и др. Изучением гидравлического удара с разрывом сплошности потока занимались: А.Ф. Мостковский, В.М. Алышев, Л. Бержерон, Л.Ф. Мошнин, М.М. Андрияшев, B.C. Дикаревский, A.A. Сурин, В.В. Тарасевич, Б.Ф. Лямаев, В. Стритер, Д. Фокс и др. Смежными,

более общими вопросами динамики парожидкостных, многофазных и многокомпонентных потоков в трубопроводах занимались В.М. Алышев, A.B. Федоров, B.C. Дикаревский, A.A. Маркин и многие другие. Следует отметить, что тема эта весьма обширна и, несмотря на многочисленные исследования в этой области, далека от завершения. Помимо теории, развивалась и методика численного решения задач о нестационарных процессах в трубопроводных сетях. Различные варианты методик расчета, в основном, базирующихся на методе характеристик, предлагались в работах Н.Т. Мелещенко, К.П. Вишневского, М.А. Мосткова, Б.Ф. Лямаева, К.Г. Асатура, И.П. Гинзбурга, A.A. Гриба, H.A. Картвелишвили, Г.М. Мелконяна, В. Стритера, Д. Фокса и др. Расчетами динамики сетей водоснабжения занимались Л.Ф. Мошнин, Б.Ф. Лямаев, Д.С. Бегляров, Д.М. Лиханов и др. Интенсивными исследованиями в области противоударной защиты на трубопроводах водоотведе-ния занимались B.C. Дикаревский, О.Г. Капинос, Н.В. Твардовская, К.Е. Хренов и др. Обзор литературы показал, что, на наш взгляд, вопросам гидравлического удара на дюкерных переходах водоснабжения и водоотведения до настоящего времени не уделялось должного внимания со стороны исследователей. Таким образом, проведенный анализ литературы определил выше перечисленные цели и основные задачи исследования.

Во второй главе {Математическая постановка задачи расчета неустановившегося режима работы трубопроводов) представлена математическая постановка задачи о течениях в трубопроводных системах, лежащая в основе методики расчета.

Структура трубопроводной сети описывается ориентированным графом, у которого ребра соответствуют трубам, а вершины -узлам сети. Узлы - это места соединения труб, где может располагаться насосное оборудование, обратные клапаны, запорная арматура и другие устройства.

Нестационарный режим течения жидкости в каждой /-той трубе сети описывается известными уравнениями гидравлического удара с учетом потерь на трение

Ы я дх 81 дх га, к '

где Н=Н(х, 1) =г(х)+р(х, - гидростатический напор в трубах, м; с! -диаметр трубы, м; г(х) - отметка верха трубы м; а - скорость волны гидравлического удара, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2; Я - коэффициент гидравлического трения; У=У(х,0 - скорость движения жидкости, м/с; р(х,1) - давление, Па; р - плотность жидкости, кг/м3.

Математические модели работы узлов являются граничными условиями для уравнений гидравлического удара (1).

В работе рассматриваются следующие виды узлов: • Примыкание к внешним частям трубопроводной сети

Рассматриваемый подводный переход является частью общей трубопроводной сети, соединяя её левобережную и правобережную части. Возникший вследствие аварии переходный процесс будет охватывать всю систему целиком, не только дюкер, но и левобережную и правобережную части водопроводной сети. С другой стороны, с большой долей вероятности можно полагать, что по мере удаления от источника возмущения (места аварии) его влияние будет ослабевать, и интенсивность переходного процесса снижаться. Это даёт основания для того, чтобы учесть влияние правобережной и левобережной частей упрощенно, в интегральной форме, что снизит затраты вычислительных ресурсов.

Граничные условия, для узлов примыкания подводного перехода к левобережной и правобережной частям сети в данной работе задаются в виде уравнения связи, выражающего зависимость напора в узле Я/ от проходящего расхода Qj

Щ =/Лб/)' (2)

где $((21)- напорно-расходная характеристика соответствующей части сети,У - номер рассматриваемого узла сети.

Это уравнение является обобщенной, интегральной характеристикой левобережной или правобережной части трубопроводной системы, соответственно.

В первом приближении закон примыкания (2) можно использовать в линейной форме

Н/=Н'+г,'к>0/, (3)

где kJ — коэффициент депрессии, характеризующий падение напора в узле с увеличением расхода, с/м2; #</- статический напор при нулевом расходе в рассматриваемом узле, м; t}f=+l, если труба i входит в узел f, qf=-l, если труба /' выходит из узла j.

• В качестве граничных условий на местных сопротивлениях используется система уравнений, описывающая потери напора на рассматриваемых местных сопротивлениях, и баланс расходов. Потери напора определяются по так называемой двухчленной формуле потерь, которая справедлива практически во всем диапазоне чисел Рейнольдса, при этом потери могут зависеть от направления потока

Щ - Н/г = <f,ß2 + B,Q, при (Q > 0) (4)

Щ - Н( = -<f2ß2 + B2Q, при (Ö < 0) (5)

Q( =Qi, =в> (6)

где ¡1 - номер входящей трубы, а ¡2 - номер выходящей трубы.

Обратный клапан является частным случаем рассмотренного местного сопротивления при односторонней проводимости. Тогда при положительном перепаде напора используются соотношения (4) и (6), а в случае закрытия клапана соотношения (5)-(6) заменяются на следующее

Q(=Qi=Q = 0, при(дя = Я,;-Я,( <0) (7)

При этом пренебрегается инерционностью подвижных частей клапана.

• Для описания соединения труб (две трубы, «тройник» и т.п.) используется система уравнений, представляющая собой баланс расходов в узле и равенство напоров на концах труб, примыкающих к узлу.

• Место разрыва трубопровода моделируется истечением под заданный уровень из «тройника», расположенного в точке разрыва.

а, =й, +яг; я,™+1 = я*+1=нг\q, =sign(^r)-^V2^KI- (8)

Здесь АН=НГ- Нет, где Нг - напор в узле, Нет - гидростатический напор в реке над отверстием разрыва трубопровода; qr- расход, вытекающий из отверстия разрыва; сог и цг- площадь и коэффициент расхода отверстия; signij) означает знак величины f.

• Примыкание трубопровода к КНС (канализационной насосной станции) описывается в виде заданной зависимости расхода, поступающего в коллектор, от времени.

• Выход потока в КГН (камера гашения напора) описывается как истечение в атмосферу.

В качестве начальных данных используются параметры стационарного потока в трубопроводе до возникновения аварийной ситуации.

В течение переходного процесса, вследствие его волнового характера, в трубопроводах будут иметь место фазы как повышения, так и понижения давления. При этом на стадии понижения, давление может достигать значения давления насыщенных паров жидкости и иметь тенденцию к дальнейшему снижению, вплоть до отрицательных значений, что говорит о возникновении в жидкости разрывов сплошности потока, то есть образовании в потоке зон кавитации. На стадии повышения давления эти каверны захлопываются, что вызывает дополнительный всплеск давления, иногда достигающий значительных величин. Поэтому учет возникновения разрыва сплошности потока весьма важен для оценки динамических характеристик процесса.

Условием бескавитационного течения жидкости в точке считается неравенство

H{x,t)>Hjx)=E^+z{x)> (9)

pg 4

где рст - давление возникновения кавитации, которое принимается равным давлению насыщенных паров жидкости при заданной температуре.

При нарушении этого условия происходит разрыв сплошности потока.

Динамика каверны определяется исходя из уравнения неразрывности. При этом дисбаланс расходов на границах каверны будет определять скорость её роста и схлопывания.

Давление внутри каверны полагается равным давлению насыщенных паров жидкости рст, на границах каверны задаётся следующее граничное условие

H = Hcav. (10)

При описании возникновения и развития кавитации в местном сопротивлении выделяются две стадии: 1) возникновение разрыва сплошности только в отводящем трубопроводе (рисунок 1); 2) процесс кавитации охватывает весь узел целиком (рисунок 2).

о^ Уд ^ ) (г^^^д-

Рисунок 1 - Схема к расчету Рисунок 2 - Схема к расчету

первой стадии второй стадии

Динамика роста каверн в обоих случаях определяется разностью расходов, поступающих и выходящих из местных сопротивлений. В первом случае граничные условия (4) определяют перепад давления во входящем патрубке // при р.2= рст, и на входе

в трубу 12 устанавливается давление, равное давлению насыщенных паров жидкости. Во втором случае, по обе стороны от узла устанавливается давление, равное рст, а граничными условиями будет равенство давлений Рп = Рп = рст.

В третьей главе (Методика расчета неустановившегося режима работы трубопроводов) приводится методика расчета гидравлического удара.

Расчет гидравлического удара проводится по явной разностной схеме на основе метода характеристик, при этом используется прямоугольная разностная сетка (рисунок 3). Здесь точки А а В -точки на предыдущем (/я-том) шаге на времени, из которых выходят характеристики ск/Ж - а и <£с/<Л = -а , соответственно, приходящих в £-тую расчетную точку X (на /и+1-том шаге по времени). Исходная система уравнений (1) записывается в характеристической форме и интегри-Рисунок 3 - Схема к расчету руЮТСЯ вдоль соответствующих характеристик, откуда получаются основные расчетные соотношения (индекс / опущен)

т+1

яГ- -нв-Цуг1 к = 0,..., ту,,. (12)

где НктЧ и У™*' - соответственно, напор и скорость (неизвестные величины) в расчетной точке Х\ НА, УА и Нв, Ув - значения напора и скорости в точках А и В; < л\У\У >а и < Я\У\У >в ~ осреднение вдоль соответствующих характеристик, т- шаг по времени.

Различные аппроксимации правой части уравнений (11)-(12), описывающей потери на трение, будут порождать различные варианты метода расчета. В работе применяется аппроксимация, наиболее устойчивая к возрастанию ошибок округления.

Система уравнений (11)-(12) используется для вычисления значений во внутренних расчетных точках трубопровода, а для нахождения значений неизвестных на границах, решаются граничные условия совместно с соответствующими соотношениями (11) или (12) для приходящих в рассматриваемый узел характеристик. .

Для учета кавитации в каждую расчетную точку помещается условная каверна, динамика которой описана выше; при бескави-тационном режиме её объем равен нулю.

В четвертой главе (Расчет неустановившегося режима работы водопроводного дюкера) приводятся результаты расчета гидравлического удара в стальном дюкерном переходе протяженностью 3430 м, диаметром 1020 мм. Исходный гидростатический напор в точке присоединения подводного перехода к левобережной сети 201 м, наиболее низкая отметка трассы дюкера 83,06 м.

Расчеты проводились для двух сценариев: 1) разрыв одного трубопровода (рисунок 4а); 2) разрыв одновременно двух трубопроводов (рисунок 46).

а) т б)

т-4 4 т 2_1Л1_т 3 5 ,т.5 т.4 ■.

П \ / Я

Рисунок 4 - План-схема дкжерного перехода: а) при разрыве одного

трубопровода; б) при разрыве одновременно двух трубопроводов. Здесь "Л" и "П"- точки присоединения дюкерного перехода к левобережной и

правобережной частям трубопроводной сети соответственно (точки т.4 и т.5); т.2 и т.З - соединения труб; т.1 и т.6 - места разрыва труб. Стрелки показывают положительное направление оси х.

Трубопровод разбивается на расчетные участки, которые пронумерованы от 1 до 5 для сценария 1 (рисунок 4а), и от 1 до 6 -для сценария 2 (рисунок 46).

Наибольший интерес представляет разрыв одного трубопровода, так как при разрыве одновременно двух трубопроводов волновой процесс будет иметь более простой характер, аналогичный случаю разрыва трубопровода, состоящего из одной трубы.

Для определения возможности разрыва сплошности потока предварительно производится расчет переходного процесса без учета кавитации, который в случае необходимости повторяется с учетом кавитации.

Первоначальный расчет проводился для наиболее неблагоприятного случая аварии (полный разрыв трубопровода).

В момент разрыва трубопровода будет наблюдаться резкое падение напора, и в обе стороны от места разрыва (по трубе 1 и по трубе 2) начнут распространяться волны понижения напора (рисунок 5). Эти волны, пройдя точки разветвления т.2 и т.З, входят в трубу 3 и начинают двигаться навстречу друг другу. При столкновение двух этих волн (рисунок 6), в трубе 3, образуется скачок понижения напора, значение которого может упасть ниже отметки трубы. Это говорит о том, что в этой точке трубы происходит разрыв сплошности потока.

Рисунок 5 - Линии мгновенных пьезометрических напоров после отражения волн от т.2 и т.З

Рисунок 6 - Линии мгновенных пьезометрических напоров при столкновении волн в трубе 3

т. 4 4 т.2

Л

, 1 /-0 ■2 3 1 і т.3 5.Т.5

В фазе повышения давления в этой точке при схлопывании каверны возникнет значительный всплеск давления, что может послужить причиной вторичной аварии (точка Д рисунок 7).

т. 1 0\

Рисунок 7 - Расположение точки возможной вторичной аварии

В случае разрыва одновременно двух трубопроводов процесс распространения волн почти синхронный (рисунки 8,9).

Л

-.4/4

Г, 2

Л

г.3/5

т.5

Ьч2 /уровень трубы

£__и.........■.....

1 ' точки

'очки возникновения кавитации

Уровень трубы

¿, м

Рисунок 8 - Линии мгновенных пьезометрических напоров при достижении т.2

Рисунок 9 - Линии мгновенных пьезометрических напоров при дальнейшем течении процесса

При пересчете с учетом кавитации существенно меняются количественные и качественные характеристики процесса. На рисунках 10-11 показаны места возникновения кавитации.

Им

-А

т.2

точки возникновения Н, м

кавитации т.З

ж

£

т.5

"^уровень трубы

Вмм = 0.91 е*

очки возникновени.

Л_

т.З вровень трубы

¿.м

Рисунок 10 - Линии мгновенных пьезометрических напоров при разрыве одной трубы

Дм

Рисунок 11 - Линии мгновенных пьезометрических напоров при разрыве двух труб

Изменение по времени напора в местах соединения труб (т.2 и т.З на рисунке 4), расхода и объема вытекающей жидкости можно проследить по графикам (рисунки 12, 13).

Н. и 200 ДМО 7.5

¡50 5 5

100

50 V

0 г-4- -0-.

¡Напорет. Л

/Напорет. 2

-Вытекающий расход

Вытекающий объем жидкости

Рисунок 12 - Графики зависимостей от Рисунок 13 - Графики зависимостей от времени напора в т.2 и .3, расхода и времени напора в т.2 и .3, расхода и объема вытекающей жидкости из объема вытекающей жидкости из отверстия, при разрыве одного отверстия, при разрыве одно-

одного трубопровода временно двух трубопроводов

Оценены потери воды. Минутный объем вытекшей жидкости составит более 17 ООО м3 и 27 ООО м3 при разрыве одного и двух трубопроводов соответственно, что представляет собой определенный экономический ущерб. А в случае, если транспортируемой жидкостью будут, например, сточные воды или нефть, то это приведет и к экологическому ущербу.

С целью оценки влияния места аварии на параметры переходного процесса варьировалось его местоположение по трассе перехода. Установлено, что место разрыва трубопровода оказывает существенное влияние на масштабы аварии. Определено наиболее неблагоприятное местоположение аварии.

Кроме того, оценивалось влияние степени и скорости разрушения трубопровода на последствия аварии. Для этого варьировались размер образовавшегося отверстия и время разрушения, при этом предполагалось, что площадь отверстия изменяется по заданному закону за заданное время от нуля до своего максимального значения.

Анализ результатов расчетов показывает, что наиболее опасными случаями разрыва трубопроводов являются разрывы, когда площадь образовавшегося отверстия составляет до 30% от площади сечения трубопровода при первом сценарии и до 8% -при втором сценарии. В первом случае наибольшие значения давления достигают 12,0-14,6 атм, во втором случае 12,2-13,1 атм.

Хотя по проекту трубопровод выдерживает давление в 35 атм при статических нагрузках, но с учетом износа трубопровода и его

работы в динамическом режиме, интенсивные колебания давления даже в меньших пределах могут представлять определенную опасность для его прочности.

В зависимости от сценария аварии и величины образовавшегося отверстия, скорость истечения жидкости из трубопровода в начальный период может достигать 22 - 27 м/с. Это может повлечь за собой дополнительный размыв грунта вблизи места аварии, что увеличит вероятность дополнительных деформаций трубопровода и возможность вторичной аварии.

Кавитация в трубах начинает появляться при размере отверстия более 5% - 7% от площади сечения трубы на 1,3 и 0,2 сек после аварии в зависимости от сценария, и в случае разрыва одновременного двух трубопроводов более продолжительна. В обоих случаях при увеличении размера отверстия увеличивается время воздействия кавитации, а также количество очагов ее возникновения, что может отрицательно сказаться на прочности трубопровода.

Отмечается, что с помощью показаний датчиков давления, можно приближенно определить точку разрыва трубопровода, что позволит в кратчайшие сроки локализовать место аварии и восстановить трубопровод.

Пятая глава (Расчет неустановившегося режима работы канализационного коллектора) посвящена расчету переходного процесса, возникающего в напорном канализационном коллекторе при обесточивании насосов насосной станции. Результаты расчета используются для рационального подбора количества и местоположения обратных клапанов.

Коллектор представляет собой стальной трубопровод диаметром 1420 мм, протяженностью 5001,34 м, с рабочим давлением 8,28,4 атм. КНС подает расход 1,6 м3/с, и в КГН происходит излив в атмосферу.

По проекту коллектор снабжен обратными клапанами в количестве 7 штук для предотвращения обратного тока жидкости и защиты от гидравлического удара.

Вследствие внезапного обесточивания насосов и прекращения подачи жидкости в системе возникает гидравлический удар.

Остановка насосной станции моделируется падением до нуля расхода, поступающего в коллектор. Срабатывание обратных клапанов принимается мгновенным.

Проводились расчеты нескольких вариантов расстановки обратных клапанов по трассе канализационного коллектора.

При отсутствии обратных клапанов в коллекторе максимальное давление будет равно 12.5 атм (рисунок 14).

При наличии обратных клапанов волна гидравлического удара, отразившись от КГН, вызывает срабатывание обратного клапана 4/К1Н, который отсекает её от дальнейшего участка трубопровода (рисунок 14), и наиболее интенсивный гидравлический удар наблюдается на участке от КГН до обратного клапана 4/К1Н.

280 Наличие всех 240 обратных клапанов снижает максимальные давления на участке до последнего клапана (КНС-4/К1Н) до значения 7,2 атм (на 37,6%), а на участке от клапана 4/К1Н до КГН давления несколько повышаются (рисунок 14).

При удалении обратного клапана 4/К1Н (рисунок 14), участок интенсивного гидравлического удара продлится до следующего обратного клапана 1/К1Н, и давление на этом участке увеличится до 14,1 атм. Отсюда видно, что отсутствие обратного клапана 4/К1Н удлиняет незащищенный от гидравлического удара участок трубопровода и приводит к увеличению максимальных давлений.

На рисунке 15 представлены линии максимальных пьезометрических напоров при установке всех обратных клапанов, установке только клапана 4/К1Н и при установке только клапанов К-36 и 4/К1Н.

Окне

Рисунок 14 - Исходная и максимальные линии

пьезометрических напоров при различных вариантах установки ОК (обратных клапанов)

где 1-линия трассы коллектора, 2-исходная линия, 3-при установке всех ОК,4 -при установке всех ОК кроме 4/К1Н, 5-при отсутствии ОК, тЛ-т.8 - места установки ОК

Из рисунков видно, что для слу-

_ чаев установки толь-

—1 ____ ■ . _ 160 к0 °ДН0Г0 обратного

кттт ,гт|1Т 120 клапана, установки

КЗб ¿г

дм5000 4000 зооо 2000 1000 окне обратных клапанов

Рисунок 15 - Исходная и максимальные линии 4/К1Н и К-36 и уста-

пьезометрических напоров при различных новки всех обратных

вариантах установки ОК (обратных клапанов) клапанов макси-

где 4 - при установке только ОК 4/К1Н и К36, малыше линии пье-

5 - при установке только ОК 4/К1Н. зометрических напо-

Остальные обозначения см. рис. 14 ров практически

совпадают. Остальные обратные клапаны, расположенные в т.З-т.6 не оказывают особого влияния на интенсивность процесса. Общие выводы.

1. Разработана математическая модель работы трубопроводной сети в нестационарном режиме с учетом функционирования оборудования.

2. На основе метода характеристик разработана методика расчета гидравлического удара, сопровождающегося разрывом сплошности потока жидкости, которая обеспечивает возможность проведения многовариантных расчетов и позволяет проанализировать возможные аварийные ситуации на трубопроводах с учетом гидродинамики переходного процесса.

3. Определены параметры переходного процесса в дюкерном переходе при его разрушении с оценкой влияния различных факторов на интенсивность процесса.

4. Дан прогноз о возможности вторичного разрыва трубопровода с указанием примерного его местоположения.

5. Оценены объем и скорость вытекшей из отверстия жидкости; на основании этих данных можно оценить негативные последствия в виде русловых деформаций, а также экологический и экономический ущерб.

6. На основании расчета напорного канализационного коллектора в аварийном режиме установлено, что динамика волновых процессов

существенно влияет на эффективность защитных мер в виде обратных клапанов.

7. Рекомендована наиболее эффективная схема расстановки обратных клапанов по трассе напорного канализационного коллектора для защиты от гидравлического удара при отказе насосной станции.

8. Разработанные математические модели и методика расчета применимы к расчетам аварийных режимов аналогичных трубопроводных систем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Тарасевич В.В. Епишева А.К. Математическое моделирование аварийных ситуаций на подводных трубопроводных переходах //Изв. вузов. Строительство. - 2007. - № 5. - С. 42-48.

2. Тарасевич В.В. Квазистационарный подход к описанию течения через местное сопротивление. / В.В. Тарасевич, Мороз A.A., Ли А.К.// Изв. вузов. Строительство. - 2011. -№ 8-9.-С.104-111.

3. Тарасевич В.В., Ли А.К. Эффективность обратных клапанов при аварийных режимах канализационного коллектора // Изв. вузов. Строительство. - 2011.- № 10. - С.60-68.

4. Аверьянов В.К. Трубопроводные системы энергетики. Развитие теории и методов математического моделирования и оптимизация / Коллективная монография/ В.К. Аверьянов, H.H. Новицкий, М.Г. Сухарев и др. - Новосибирск: Наука, 2008. С. 44- 60.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113 Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин)

Тираж 100 Заказ

61 12-5/2101

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

На правах рукописи

Ли Анастасия Константиновна

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук, доцент В.В. Тарасевич

Новосибирск - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА......10

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАСЧЕТА НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ

ТРУБОПРОВОДОВ...............................................................19

1 о

2.1 Область определения........................................................Ly

2.2 Дифференциальные уравнения, описывающие движение

90

жидкости в трубах...................................................................^

2.3 Граничные условия...........................................................21

2.3.1 Истечение под уровень..............................................21

2.3.2 Примыкание к внешним частям трубопроводной сети........23

2.3.3 Соединения трубопроводов.........................................24

2.3.4 Местные сопротивления..............................................24

2.3.5 Примыкание с насосной станции.................................26

2.3.6 Истечение в атмосферу..............................................27

97

2.4 Начальные условия...........................................................^'

2.5 Разрыв сплошности потока................................................28

2.5.1 Одиночная каверна в трубе.........................................29

2.5.2 Одиночная каверна в соединениях труб (тройниках)..........29

2.5.3 Каверна в местном сопротивлении................................30

3. METO ДИКА РАСЧЕТА НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ

РЕЖИМА РАБОТЫ ТРУБОПРОВОДОВ.......................................33

3.1 Характеристическая форма уравнений гидравлического удара ...33

3.2 Разностная сетка..............................................................JJ

3.3 Выбор параметров расчета...................................................34

3.3.1 Время счета.............................................................34

3.3.2 Шаг счета...............................................................34

3.4 Основные расчетные соотношения.......................................36

3.4.1 Конкретизация расчетных зависимостей.........................38

3.5 Расчет во внутренних точках...............................................39

3.6 Расчет на границах...........................................................40

3.6.1 Разрешение граничных условий при расчете дюкерного перехода.................................................................41

3.6.1.1 Примыкание к внешним частям трубопроводной сети......................................................................41

3.6.1.2 Соединение трубопроводов................................41

3.6.1.3 Расчет истечения под уровень.............................42

3.6.2 Разрешение граничных условий при расчете напорного канализационного коллектора......................................43

3.6.2.1 Примыкание к насосной станции........................43

3.6.2.2 Примыкание к камере гашения энергии.................44

3.6.2.3 Места установки обратных клапанов....................45

3.7 Учет возникновения разрыва сплошности потока.....................46

3.8 Проверка методики расчета................................................47

3.8.1 Решение задачи численным методом...........................48

3.8.1.1 Расчет во внутренних точках...........................48

3.8.1.2 Расчет на границах........................................49

3.8.2 Решение задачи аналитическим методом......................49

4. РАСЧЕТ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ

ВОДОПРОВОДНОГО ДЮКЕРА................................................52

4.1 Схематизация объекта.......................................................52

4.2 Расчет на границах...........................................................54

4.3 Начальные данные............................................................54

4.4 Результаты расчета...........................................................55

4.4.1 Динамика процесса.......................................................55

4.4.1.1 Динамика процесса при разрыве одной трубы

без учета разрыва сплошности потока................................56

4.4.1.2 Динамика процесса при разрыве одновременно

двух труб без учета разрыва сплошности потока...................59

4.4.1.3 Динамика процесса при разрыве одной

трубы с учетом разрыва сплошности потока.........................60

4.4.1.4 Динамика процесса при разрыве одновременно двух трубы с учетом возникновения разрыва сплошности потока........................................................................62

4.4.1.5 Конечная стадия переходного процесса..................64

4.4.2 Анализ влияние места расположения аварии

вдоль трубопровода..............................................................71

4.4.3 Расчет параметров потока при изменении величины отверстия разрыва и анализ полученных данных.........................73

4.4.3.1 Анализ кавитационных зон..................................81

4.4.3.2 Стабилизация потока..........................................83

4.5 Способ обнаружения места аварии......................................84

4.6 Выводы.........................................................................86

5. РАСЧЕТ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ

КАНАЛИЗАЦИОННОГО КОЛЛЕКТОРА.................................. .87

5.1 Схематизация объекта.......................................................87

5.2 Расчет на границах............................................................90

5.3 Результаты расчета...........................................................91

5.4 Выводы........................................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Напорные трубопроводные системы являются ключевым компонентом многих жизненно важных технических объектов (например, водопроводных, канализационных и др. сетей), от надежного функционирования которых во многом зависит развитие промышленности, инфраструктуры населенных пунктов и состояние окружающей среды.

Поэтому крайне важно уметь достаточно точно прогнозировать последствия аварийных ситуаций на этих трубопроводных системах, чтобы снизить возможный ущерб и выбрать наиболее адекватные меры защиты и восстановления. Для правильной оценки последствий аварии необходимо учитывать возникающий при этом интенсивный нестационарный процесс в трубопроводах и оборудовании рассматриваемых систем. Для этого наиболее целесообразно опираться на математическое и компьютерное моделирование, так как использование графоаналитических методов решения очень трудоемко, а возможности экспериментальных методов исследования (как натурных, так и лабораторных) ограничены.

Основные результаты настоящей работы, касающиеся методики расчета гидродинамических процессов, рассматриваются на примере таких весьма важных (и достаточно характерных) объектов, как подводный переход водопроводной сети и напорный канализационный коллектор, аварии на которых могут привести к продолжительным по времени перебоям с поставкой воды потребителю или же нарушения режима отвода сточных вод. Последствия аварий на данных сооружениях мало изучены, а так же, в силу большой протяженности и месторасположения (под водой, под землей), локализация места аварии представляет собой достаточно сложную задачу.

Поэтому вышеперечисленные вопросы являются актуальными и требуют более тщательного изучения.

Из анализа литературы, запросов практики эксплуатации напорных трубопроводов определены основные задачи исследования:

1. Разработать математические модели нестационарных режимов работы трубопроводов с учетом возникновения разрывов сплошности потока и методику расчета таких режимов;

2. Численно проанализировать возможные аварийные ситуации на рассматриваемых трубопроводах с учетом гидродинамики переходного процесса;

3. Оценить гидродинамические параметры потоков и последствия возможных аварий;

4. Оценить эффективность защитной функции обратных клапанов на напорном коллекторе; по параметрам нестационарного режима определить наиболее рациональную расстановку обратных клапанов по трассе коллектора.

В настоящий момент на рынке присутствует ряд универсальных программных продуктов для расчета трубопроводных систем, включающих в себя и возможность расчета нестационарных режимов их работы. Но, в силу своей универсальности, такие программы достаточно громоздки, имеют значительную стоимость и не всегда позволяют учесть все особенности рассчитываемой конкретной сети. В данной работе, решено было пойти по пути разработки более простого, специализированного программного обеспечения, но опирающегося на достаточно универсальную методику расчета, что позволяет гибко адаптироваться ко всем случаям, представляющим интерес для изучения.

Научная новизна работы:

1. Впервые изучен нестационарный процесс на водопроводном подводном переходе, возникающий вследствие аварии (разрушение трубопровода) с истечением под уровень (в наружный водоём); установлены характерные особенности переходного процесса при разрыве одной или двух труб.

2. Впервые рассмотрен динамический процесс на напорном канализационном коллекторе в совокупной работе с противоударными устройствами, возникающий при отключении насосной станции;

3. Впервые проведен анализ, позволяющий выявить наиболее уязвимые участки системы; определено оптимальное количество и места установки обратных клапанов для защиты трубопровода;

4. Впервые для трубопроводов рассматриваемого типа установлено, что помимо возникновения разрыва сплошности потока в характерных точках трубопровода, возникают обширные по протяженности зоны кавитационного течения; определены местоположение и динамика зон кавитационного течения;

5. Впервые в математической постановке задачи предложены новые упрощенные подходы описания работы примыкающих внешних частей трубопроводной сети и обратных клапанов с учетом возможного возникновения кавитации.

Полученные параметры переходного процесса использовались для прогноза последствий возникновения аварии на дюкерном переходе пересекающего реку Обь в районе о. Кораблик г. Новосибирска и составления рекомендаций по расстановке противоударных устройств для строящегося напорного канализационного коллектора обеспечивающего водоотведение объектов Технопарка Новосибирского Академгородка.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является расчет и анализ гидродинамических процессов, возникающих при различных аварийных ситуациях в трубопроводных системах рассматриваемого вида, оценка последствий аварий и эффективности защитных мероприятий.

Практическая значимость и реализация результатов работы: 1. Полученные параметры переходного режима могут быть полезны при проектировании дюкерных переходов в отношении повышения надежности их работы, и напорных канализационных коллекторов в области противоударной защиты;

2. Результаты работы были учтены при проектировании напорного канализационного коллектора и выработке противоаварийных мероприятий на подводном переходе через р. Обь;

3. Разработанная методика может быть применена к расчетам других аналогичных трубопроводных систем.

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (2005 г.).

2. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО НГАСУ (Сибстрин) в 2005-2011г.

3. 10-ом Всероссийском научном семинаре с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Санкт-Петербург, 2006 г.).

4. III Международной научно-практической конференции "Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона" ( 2006 г.);

5. Межрегиональной научной конференции «Третьи Ермаковские чтения «Сибирь: вчера, сегодня, завтра».

6. 12-ом Всероссийском научном семинаре с международным участием «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Ялта, 2010 г.).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов, неоднократно проверенных многолетней практикой, а также тестовыми расчетами, сопоставлением с известными аналитическими решениями.

Результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях в журнале «Известия вузов. Строительство», включенных в список рекомендуемых ВАК РФ изданий, и в одной коллективной монографии.

1. Тарасевич B.B. Епишева A.K. Математическое моделирование аварийных ситуаций на подводных трубопроводных переходах //Изв. вузов. Строительство. - 2007.-№5.-С. 42-48.

2. Тарасевич В.В. Квазистационарный подход к описанию течения через местное сопротивление. / В.В. Тарасевич, Мороз A.A., Ли А.К.// Изв. вузов. Строительство. - 2011. - № 8-9. - С.104-111.

3. Тарасевич В.В., Ли А.К. Эффективность обратных клапанов при аварийных режимах канализационного коллектора // Изв. вузов. Строительство. -2011.- № 10.-с. 60-68.

4. Аверьянов В.К. Трубопроводные системы энергетики. Развитие теории и методов математического моделирования и оптимизация / Коллективная монография/ В.К. Аверьянов, H.H. Новицкий, М.Г. Сухарев и др. - Новосибирск: Наука, 2008. - с. 44- 60.

В соответствии с поставленными задачами была определена структура данной диссертационной работы, которая включает в себя введение, пять глав, заключение, перечень использованной литературы и приложение. На защиту выносится:

1. Методика и результаты расчетов нестационарных режимов работы трубопроводов, с учетом возникновения разрыва сплошности потока;

2. Анализ факторов, влияющих на последствия аварии на подводном переходе в случае разрыва трубопровода;

3. Анализ влияния места установки и количества противоударных средств по трассе канализационного коллектора на последствия аварии при обесто-чивании насосов.

Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) в рамках тематического плана научных исследований - «Математическое моделирование аварийных ситуаций для водопроводных сетей».

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА

Литература, касающаяся вопросов гидравлического расчета водопроводных сетей, сетей водоотведения и других трубопроводных систем чрезвычайна обширна. Можно указать, например, основополагающие работы по теории гидравлических цепей А.П. Меренкова [51],[34] и С.Я. Хасилева [90]. Дальнейшее развитие эти исследования получили в работах H.H. Новицкого [57], Е.В. Сенновой [65], Б.М.Кагановича [34], O.A. Балышева [34], В.Р. Чупина [9597] и их коллег. Проблемами гидравлического расчета, оптимизации и идентификации параметров трубопроводных сетей занимались М.Г. Сухарев [73, 74], А.Ф. Воеводин [17], Р.Т. Файзулин [56, 84] и др.

Эти работы посвящены, в основном, решению стационарных задач. Нестационарный режим в них, как правило, не рассматривался вообще, или рассматривался в упрощенном виде [34], либо трактовался как последовательная смена стационарных режимов, что справедливо только для медленно меняющихся процессов низкой интенсивности. Высокоинтенсивные волновые процессы, к которым относится гидравлический удар, и тем более, возникновение кавитации и расчет нестационарных течений двухфазных потоков работы этого круга не затрагивали.

Основой решения задач, связанных с явлениями гидравлического удара до настоящего времени является теория, созданная Н.Е. Жуковским в 18971899 году, который рассмотрел весьма сложный вопрос о причинах аварий магистральных труб водопровода и установил, что причиной этих аварий является гидравлический удар. В своем исследовании Н.Е. Жуковский разработал теорию гидравлического удара, дал формулы для определения ударного давления с учетом сжимаемости жидкости и упругости стенок, а также способ предохранения водопровода от повреждений вследствие гидравлического удара [29].

В последующем, разработке теории гидравлического удара уделялось огромное внимание. Большой вклад в исследования данного явления внесли: Г. Асатур [7], [8], М.А. Мостков [53], H.A. Картвелишвили [34], [36], Г.И. Мелконян [49], [50], Л.Ф. Мошнин [55], [83], И.А. Чарный [93], Д.Н. Смирнов [66], Л.Б. Зубов [66], Б.Ф. Лямаев [45], [46], [47], A.A. Атавин [9], А.Ф. Воеводин [17], В.В. Тарасевич [9], [76], [75]-[77], [58], [60], из зарубежный исследователей: О. Шнидер [100], Л. Бержерон [13], В. Стритер [101]-[103], Д. Фокс [88] и др.

До появления вычислительной техники для расчета гидравлического удара использовали аналитический и графический методы. Существует множество различных аналитических методов, основанных на методе Фурье, методе контурных интегралов, методе характеристик и т.д.

Наибольшее развитие в исследовании гидравлического удара получили аналитические методы. Л. Аллиеви рассматривал гидравлический удар в простом трубопроводе (т.е. имеющем постоянный диаметр и постоянную скорость распространения ударных волн). Используя общий интеграл дифференциальных уравнений гидравлического удара Н.Е.Жуковского, он вывел уравнения гидравлического удара в конечных разностях, получившие в дальнейшем название цепных уравнений Л. Аллиеви, которые в последующем были использованы многими исследователями при расчетах гидравлического удара [98].

Также большой вклад внесли И.А. Чарный [93] и Л. Берж