ISBN 978-5-7996-1114-9 В пособии рассматривается методика решения основных гидродинамических задач, возникающих при математическом моделировании работы распределительных сетей водоснабжения в стационарных и переходных режимах с использованием программ WaterGEMS и Hammer фирмы Bentley. <...> Гидравлический расчет сети в стационарном режиме . <...> Гидравлический расчет сети в режиме EPS . <...> Расчет узловых отборов в среде WaterGEMS . <...> Моделирование переходных процессов в простом трубопроводе . <...> Влияние времени закрытия клапана на силу гидравлического удара . <...> 309 6 Введение Сети водоснабжения являются частью инфраструктуры любого более или менее крупного населенного пункта. <...> Сейчас разработаны программы для расчета нестационарных течений воды в сложных сетях – гидравлических ударов. <...> Именно поэтому модель гидравлической сети всегда строится с учетом конкретных сведений о параметрах потоков воды в различных точках сети в различные моменты времени. <...> Минимальный свободный напор в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание над поверхностью земли должен составлять при одноэтажной застройке не менее 10 м вод. ст., при большей этажности на каждый этаж добавляют по 4 м вод. ст. <...> Общие потери энергии в данном случае выражаются в уменьшении давления (свободного напора). <...> Потери напора ∆hw Линия начального напора p ρg V2 2g Пьезометрическая линия Линия полного напора ∆ hw Рис. <...> Изображена только пьезометрическая линия, поскольку скоростной напор считается малым. <...> В точках пересечения его оси с пьезометрической линией (А, В) свободный напор равен нулю. <...> Во всех сечениях трубы, расположенных выше пьезометрической линии, внутри нее вакуум. <...> Потери напора в местных сопротивлениях Местные потери напора – это потери, обусловленные местными гидравлическими сопротивлениями, то есть такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения поперечных размеров или конфигурации происходит <...>
Компьютерное_моделирование_гидродинамических_процессов_систем_водоснабжения.pdf
УДК 532.542:004.94(075.8)
ББК 22.253.3c51я73+38.761.1c51я73
Н48
Рецензенты:
кафедра сельскохозяйственных машин УрГСХА (завкафедрой
канд. техн. наук проф. А. Н. Зеленин);
канд. техн. наук проф. кафедры «Мехатроника» Уральского
государственного университета путей сообщения В. М. Таугер
Научный редактор – канд. хим. наук доц. Ю. В. Аникин
Н48
Некрасов, А. В.
Компьютерное моделирование гидродинамических
процессов систем водоснабжения : учеб. пособие /
А. В. Некрасов. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. –
312 с.
ISBN 978-5-7996-1114-9
В пособии рассматривается методика решения основных гидродинамических
задач, возникающих при математическом моделировании работы распределительных
сетей водоснабжения в стационарных и переходных режимах
с использованием программ WaterGEMS и Hammer фирмы Bentley.
Пособие предназначено для студентов-магистрантов, обучающихся по
направлению «Водоснабжение и водоотведение», а также для специалистов
предприятий «Водоканал».
Библиогр.: 7 назв. Табл. 18. Рис. 444.
УДК 532.542:004.94(075.8)
ББК 22.253.3c51я73+38.761.1c51я73
ISBN 978-5-7996-1114-9 © Уральский федеральный
университет, 2014
Стр.3
Оглавление
Введение .............................................................................................7
1. Основные понятия гидравлики ...............................................15
1.1. Физические свойства жидкостей ..........................................15
1.2. Давление .................................................................................17
1.3. Расход .....................................................................................20
1.3. Баланс механической энергии при движении жидкости ....22
1.4. Потери напора по длине трубопровода ................................26
1.5. Потери напора в местных сопротивлениях .........................27
1.6. Система уравнений гидравлической сети ............................28
1.7. Нестационарное движение жидкости ...................................31
2. Построение схемы сети и ее гидравлический расчет ..........34
2.1. Запуск программы WaterGEMS и начальные настройки ...34
2.2. Установка фонового слоя .....................................................36
2.3. Построение схемы сети .........................................................37
2.4. Ввод и редактирование параметров элементов сети ...........40
2.4.1. Резервуар .........................................................................41
2.4.2. Резервуар с регулируемым уровнем .............................42
2.4.3. Насос ................................................................................43
2.4.4. Редукционный клапан .....................................................47
2.4.5. Узлы сети ........................................................................48
2.4.6. Трубопроводы .................................................................49
2.5. Гидравлический расчет сети в стационарном режиме ........53
2.6. Просмотр результатов расчета .............................................54
2.7. Построение графиков изменения параметров потока по его
длине ...........................................................................................57
3. Анализ работы сети при изменении ее параметров во
времени .........................................................................................59
3.1. Графики водопотребления ....................................................59
3.2. Гидравлический расчет сети в режиме EPS ........................64
3.3. Сценарии и альтернативы .....................................................66
3.3.1. Создание новой альтернативы потребления .................67
3.3.2. Создание и редактирование дочернего сценария ..........69
3.3.4. Физическая альтернатива ...............................................71
4. Импортирование данных ..........................................................75
3
Стр.4
4.1. Принципы импортирования данных различных типов .......75
4.1.1. Импорт текстовых данных, электронных таблиц и баз
данных ....................................................................................75
4.1.2. Графические данные .......................................................78
4.1.3. Файлы ГИС ......................................................................81
4.2. Импорт данных в среде WaterGEMS ....................................83
4.3. Использование сетевого навигатора ....................................90
4.3.1. Поиск труб, проходящих рядом с узлами, которые им
не принадлежат ......................................................................90
4.3.2. Поиск близко расположенных узлов ............................91
4.3.3. Поиск изолированных узлов ..........................................92
5. Упрощение схемы сети ..............................................................93
5.1. Цель и принципы упрощения расчетной схемы ..................93
5.2. Виды упрощений ....................................................................95
5.3. Упрощение схемы сети в среде WaterGEMS ......................99
5.3.1. Исходная схема ...............................................................99
5.3.2. Удаление труб по условию ..........................................104
5.3.3. Удаление тупиков, объединение последовательных и
параллельных участков ......................................................107
5.3.4. Результаты упрощения схемы .....................................112
6. Расчет узловых отборов ..........................................................113
6.1. Способы учета водопотребления ........................................113
6.2. Методы расчета узловых отборов ......................................114
6.3. Определение границ зон обслуживания узлов ..................118
6.4. Расчет узловых отборов в среде WaterGEMS ...................120
6.4.1. Предварительные действия. Шейп-файл ....................121
6.4.2. Принципы использования LoadBuilder .......................126
6.4.3. Сравнение методов расчета отборов ...........................135
7. Гидравлическая калибровка модели ....................................144
7.1. Виды калибровки .................................................................144
7.2. Причины неадекватности модели сети ...............................146
7.2.1. Ошибки ввода (импорта) схемы ..................................147
7.2.2. Отклонения фактических диаметров труб от принятых
при расчете ...........................................................................148
7.2.3. Ошибки значений узловых отборов ............................149
7.3. Принципы калибровки сети с использованием генетических
алгоритмов ...............................................................................150
4
Стр.5
7.4. Калибровка сети в среде WaterGEMS ...............................153
7.4.1. Постановка задачи ........................................................153
7.4.2. Принципы использования Darwin Calibrator ..............155
7.4.3. Ручная калибровка .......................................................164
7.4.4. Автоматический подбор сопротивлений труб ............167
7.4.5. Автоматический подбор узловых отборов .................169
7.4.6. Экспорт результатов расчетов в модель .....................173
7.4.7. Сравнение результатов оптимизации .........................174
8. Анализ потребления энергии ................................................175
8.1. Постановка задачи ..............................................................175
8.2. Нерегулируемые насосы и водонапорная башня ..............180
8.3. Нерегулируемые насосы без водонапорной башни ...........186
8.4. Использование регулируемого насоса ...............................190
8.5. Анализ энергопотребления .................................................193
8.6. Сравнение вариантов управления насосами ......................197
9. Проектирование сети с помощью Darwin Designer ............198
9.1. Постановка задачи ..............................................................198
9.2. Подбор диаметров трубопроводов .....................................199
9.3. Определение диаметров с помощью Darwin Designer ......204
9.4. Многокритериальный анализ ..............................................212
10. Моделирование изменения качества воды ........................216
10.1. Основные принципы моделирования качества воды .......216
10.2. Моделирование качества воды в среде WaterGEMS .......221
10.2.1. Постановка задачи ......................................................221
10.2.2. Моделирование процесса смешения потоков воды ..222
10.2.3. Моделирование процесса смешения с уточненными
начальными условиями .......................................................228
10.2.4. Расчет изменения концентрации веществ
при химических реакциях ...................................................231
10.2.5. Возраст воды ...............................................................236
10.2.6. След источника ...........................................................240
10.2.7. Сравнение результатов расчетов ...............................243
11. Анализ работы сети при отключении ее сегментов .........244
11.1. Постановка задачи .............................................................244
11.2. Сегментация схемы сети ...................................................246
11.3. Поиск выпускных сегментов ............................................250
5
Стр.6
11.4. Критические сегменты ......................................................251
11.5. Улучшение схемы ..............................................................252
12. Моделирование переходных процессов в простом
трубопроводе ..............................................................................256
12.1. Создание расчетной модели в среде Hammer ..................256
12.2. Ввод параметров расчета ..................................................264
12.3. Расчет гидравлического удара ..........................................267
12.4. Представление результатов в графическом виде и их
анализ .......................................................................................270
12.5. Влияние времени закрытия клапана на силу
гидравлического удара ............................................................275
13. Средства защиты от гидроудара ........................................278
13.1. Использование гидропневматического аккумулятора ...278
13.2. Упреждающий клапан .......................................................284
13.3. Демпфирующий клапан .....................................................288
13.4. Водонапорная колонна ......................................................291
14. Переходные процессы в гидравлической сети ..................297
14.1. Постановка задачи и расчет начальных условий ............297
14.2. Расчет распространения волны давления .......................302
Библиографический список .......................................................309
6
Стр.7