В статье авторы описывают процесс создания информационной модели перепадного канализационного колодца/
Ключевые слова: канализация, информационная модель, ANSYS CFX.
Перспективным инструментом для моделирования массообменных процессов является использование комплекса конечно-элементного анализа ANSYS CFX. Данный пакет позволяет решать задачи различной сложности, учитывая многокомпонентность поставленных задач и требуемую степени точности. Но решение задач, отображающих крупные системы объектов, при помощи данного программного комплекса осложняется необходимостью наличия достаточно мощных вычислительных ресурсов и большого объема свободной памяти.
В результате этого было принято решение о двухэтапном моделировании целостной системы камеры гашения напора — окружающая среда, где первая модель изучала бы процессы внутри сооружения, а вторая — диффузию выделившихся газов в окружающем атмосферном воздухе. При этом, численные результаты массового расхода газа, полученные на первом этапе, будут использованы для изучения процесса выделения сероводорода из люка в окружающую среду. Данное решение позволяет снизить габаритные размеры расчетной области, что в свою очередь снижает нагрузку на вычислительную технику и повышает производительность расчетов без внесения дополнительных погрешностей.
1. Модель внутреннего пространства камеры гашения напора
Расчетная область модели камеры гашения напора (рис. 1) представляет собой воздушное пространство КГН, подводящего напорного и отводящего самотечного трубопровода. Расчетная область выполняется в приложении DesignModeler в виде твердотельного элемента, в котором с помощью выреза имитируется стенка подводящего напорного трубопровода. Далее для построенной геометрии генерировалась расчетная сетка, и задавались граничные и начальные условия. Поступление смеси воды и сероводорода в расчетную область определяется условием « Inlet » на подводящей напорной трубе, которое устанавливает скорость втекающего потока ( V en , м/с) и соотношение объемных долей воды и сероводорода ( VolumeFraction ). Для учета присутствия воздушной среды использовалось условие Opening , в котором устанавливалось отсутствие избыточного давления P м = 0 Па, а также соотношение объемных долей воздушной среды, воды и сероводорода. Поскольку граница Opening располагается около люкового проема, то в начальный момент времени расчета на данной границе присутствует только воздушная среда. Выход потока описывается условием Outlet , в котором устанавливалось отсутствие избыточного давления P м = 0 Па. Таким образом обеспечивается самотечное движение потока воды по отводящему трубопроводу, которая за собой увлекает воздушную среду. При этом каждая из фаз содержит в себе некоторую примесь сероводорода. В качестве начального задавалось условие присутствия в начальный момент времени (τ = 0 c) в расчетной области модели только воздушной среды в неподвижном состоянии. Для дальнейшего анализа результатов моделирования на рис. 1 показаны расчетные сечения, в которых фиксировались значения массового расхода сероводорода.
Рис. 1. Расчетная область модели КГН. Начальные и граничные условия. Сечения фиксации результатов
В ходе первого этапа исследования была проведена серия опытов с различной скоростью втекания сточной воды на границе Inlet : V en = 1 м/с, 1,5 м/с, 2 м/с. Соотношение объемных долей воды и сероводорода ( gas/water ) на входе принято постоянным и составляло для воды 0,8, а для сероводорода 0,2. Подробное описание условий проведение опытов представлено в табл. 1.
Таблица 1
Условия проведения опытов на модели внутреннего пространства КГН
|
Показатель |
Опыт 1 |
Опыт 2 |
Опыт 3 |
|
τ, сек |
1000 |
||
|
d e n , мм |
200 |
||
|
V en , м/с |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
|
Gas / water , доли |
0,2/0,8 |
||
|
Q Σ , м 3 /с |
31,40 |
47,10 |
62,80 |
|
Q water , м 3 /с |
25,12 |
37,68 |
50,24 |
|
Q gas , м 3 /с |
6,28 |
9,42 |
12,56 |
|
d ex , мм |
300 |
||
|
i |
0,005 |
||
|
T , ˚ K |
288 |
||
|
h/d * |
0,435 |
0,551 |
0,666 |
|
V ex , м/с * |
0,855 |
0,940 |
1,006 |
*Примечание — оценочные величины показателей, определенные до проведения опытов по таблицам Лукиных [1]
2. Совмещенная модель люка камеры гашения напора и области окружающей воздушной среды
Расчетная область второй модели выполняется также в виде твердотельного элемента, состоящего из двух частей, связанных между собой (рис. 2). Первая часть имитирует внутренне воздушное пространство элементов люка, через которые газ может поступать в окружающую среду (такими элементами являются технологические отверстия в люке и неплотности прилегания крышки люка) (рис. 2А). Вторая часть является окружающей воздушной средой вблизи люка КГН (рис. 2Б). Габаритные размеры второй части модели 10×10×10 м.
Особое внимание в данной модели было уделено построению сетки. Для оптимизации расчета сетка измельчалась только в люке и зоне выхода потока из люка. Изменение размеров ячейки осуществлялось с помощью функции Sizing . В пространстве люка эта функция позволила сгенерировать сетку с размером ячейки 0,0015 м. Воздушное пространство над люком было разделено на три области с помощью сфер радиусом 1,5 м, 2,5 м, 4 м. Размеры ячеек в сферах составили 0,06 м, 0,09 м, 0,12 м соответственно.
Рис. 2. Расчетная область модели воздушного пространства рядом с люком. Результаты построения сетки: А — первая часть модели (отверстия в люке), Б — вторая часть модели (окружающая воздушная среда вблизи с люком)
В дальнейшем были заданы начальные и граничные условия модели. В расчетной области задавалось наличие двух веществ: сероводорода и воздуха. Температура ( T, ° K ) сероводорода и воздуха внутри канализационного люка составляла 288° K , температура воздуха в окружающей среде составляла для первого опыта — 298° K , для второго — 266° K . Поступление газа в расчетную область учитывалось с помощью условия « InletGas » (рис. 3), в котором задавался массовый расход газа ( MassFlow ), полученный при моделировании на первом этапе, и объемная доля ( VolumeFraction ). Движение воздушных масс в окружающей среде имитировалось с помощью граничного условия « InletWind », приложенного к одной из граней (рис. 3). Скорость ветра V составляла 1 м/с. В начальный момент времени в расчетной области присутствовал только воздух с избыточным давлением P м = 0 Па (условие Opening ).
Рис. 3. Начальные и граничные условия модели воздушного пространства рядом с люком
3. Результаты моделирования, их интерпретация и обсуждение
По итогам проведения серии расчетов для первой модели были получены следующие графические и функциональные отображения результатов.
На рис. 4 представлена гидродинамическая картина, наблюдаемая внутри КГН при установившемся движении и отображающая пространственное расположение протекающих компонентов. Цветовое поле данной картины позволяет оценить соотношение объемных долей сточной воды и газа в системе. Так по горизонтальному напорному трубопроводу поток смеси воды и газа поступает в КГН полным сечением, при этом поток окрашен в оранжевый, что соответствует объемной доле 0,8 для воды. После того как поток достиг КГН он попадает в вертикальный стояк, где наблюдается его отрыв от стенок трубопровода и изменение напорного движения на кольцевое спиралеобразное. Здесь же происходит дополнительное эжектирование потока воздухом, подсасываемым в стояк. Далее по вертикальному стояку сточная вода попадает в водобойный колодец КГН, где за счет образования гидравлического прыжка также происходит активное перемешивание воздушной и водной среды. В результате этого часть сероводорода выделяется из воды в подсводное пространство КГН. После водобойного колодца КГН вода покидает расчетную область модели по самотечному коллектору.
Рис. 4. Результаты моделирования КГН. Гидродинамическая картина
На рис. 5 показано поле избыточного давления, которое устанавливается в расчетной области модели. На подводящем трубопроводе наблюдается вакуумметрическое давление в диапазоне P вак = 123–402 Па. Данный результат объясняется незначительной величиной скоростного напора в подводящем трубопроводе и созданием разряжения на вертикальном участке при падении жидкости. Максимальное избыточное давление P м = 529 Па наблюдается в водобойном колодце в месте падения потока. В камере вблизи водобойного колодца и подсводном пространстве отводящей трубы устанавливается вакуумметрическое давление P вак = 215 Па за счет увлекающей способности утекающего потока. В верхней части камеры вблизи люкового пространства наблюдается незначительное избыточное давление P м = 21 Па.
Рис. 5. Поле давления в модели КГН
На рис. 6 показаны линии тока потоков сероводорода, выделяющихся из воды в водобойном колодце. По линиям тока можно судить о трех выраженных потоках газа:
1 — сероводород, частично оставшегося в водной среде после падения в КГН и покидающий камеру с потоком сточной воды по самотечному коллектору;
2 — сероводород, выделившийся в подсводное пространство камеры гашения в области гидравлического прыжка, циркулирует в ней и за счет увлекающей способности воды уносится воздушной средой в подсводное пространство отводящего коллектора;
3 — сероводород, постоянно циркулирующий в подсводном пространстве КГН. Этот поток образуется в результате формирования застойных областей в газовоздушной среде и пополняется новыми порциями газа из второго потока и со свободной поверхности воды в водобойном колодце.
Важно отметить, что из второго и третьего потока сероводород частично поднимается к люковому проему, откуда в дальнейшем выделяется в окружающую среду.
Рис. 6. Линии тока потока сероводорода в модели КГН
Полученная в КГН гидро- и аэродинамическая картина качественно соответствуют ожидаемым результатам и принятым граничным и начальным условиям. Кроме этого, наполнение водобойного колодца и отводящего самотечного коллектора количественно соответствует существующим данным из гидравлических таблиц [1]. На основании этого данная модель была признана адекватной и принята для получения массовых расходов сероводорода в расчетных сечениях (рис. 1).
На рис. 7–9 представлены серии графиков, полученных для трех проводимых опытов при различных V en . Расчеты выполнялись для нестационарной задачи на период времени τ = 1000 c. Во всех модельных расчетах наблюдалась пульсация концентрации сероводорода, поэтому на графиках наблюдается поле расчетных значений массового расхода газа (рис. 7–9). Аппроксимация полученного поля точек позволила выделить закономерность изменения концентрации сероводорода во всех рассматриваемых сечениях по степенному закону. Уравнения аппроксимирующих функция для трех проводимых опытов также представлены на рис. 7–9.
|
|
|
A |
|
|
|
Б |
|
|
|
В |
Рис. 7. Серия графиков, полученных при проведении опыта 1 со скоростью входящего потока V en = 1,0 м/с. Функции изменения концентрации сероводорода в течение времени для сечений: A — C ex hatch (вблизи люка), Б — C ex air (в воздушной среде отводящего трубопровода), В — C ex water (в водной среде отводящего трубопровода).
|
|
|
A |
|
|
|
Б |
|
|
|
В |
Рис. 8. Серия графиков, полученных при проведении опыта 2 со скоростью входящего потока V en = 1,5 м/с. Функции изменения концентрации сероводорода в течение времени для сечений: A — C ex hatch (вблизи люка), Б — C ex air (в воздушной среде отводящего трубопровода), В — C ex water (в водной среде отводящего трубопровода).
|
|
|
A |
|
|
|
Б |
|
|
|
В |
Рис. 9. Серия графиков, полученных при проведении опыта 3 со скоростью входящего потока V en = 2,0 м/с. Функции изменения концентрации сероводорода в течение времени для сечений: A — C ex hatch (вблизи люка), Б — C ex air (в воздушной среде отводящего трубопровода), В — C ex water (в водной среде отводящего трубопровода)
Во всех опытах с тремя различными скоростями входящего потока наблюдается увеличение концентрации сероводорода в течение времени в воздушном пространстве отводящего трубопровода и вблизи люка. Концентрация H 2 S, утекающего со сточной жидкостью по самотечной трубе, в течение времени снижается. При этом, важно отметить, что наибольшее количество сероводорода, находящегося в модели, покидает ее вместе с потоком воздуха в отводящем трубопроводе. Данное явления обосновывается наличием увлекающей способности сточной жидкости.
С увеличением скорости течения сточной жидкости существенно возрастает турбулизация потока и интенсивность выделения газа в подсводное пространство сети. Сравнивая между собой результаты различных опытов, можно отметить, что концентрация сероводорода в отводящем трубопроводе для скорости входящего потока 2 м/с увеличилась в 4,6 раз по сравнению с опытом, где скорость составляла 1,5 м/с. И в 12,7 раз по сравнению с опытом со скоростью 1 м/с.
Для сечения вблизи люка, концентрации, наблюдаемые при скорости входящего потока V en = 1 м/с были весьма малы. Поэтому подбор скорости движения сточной жидкости может являться критерием безопасной работы сооружения. Методом интерполяции средних значений концентраций для проведенных опытов было определено, что превышение максимальной разовой допустимой концентрации (ПДК м.р. = 0,008 мг/м 3 ) наступает при скорости поступления потока сточных вод V en ≥ 1,1 м/с. Превышение допустимой концентрации в рабочей зоне (ПДК р.з. = 10 мг/м 3 ) происходит при скорости входящего потока V en ≥ 1,52 м/с.
На основании данных модели КГН со скорости входящего потока 2 м/с и полученных функциональных зависимостей была разработана модель воздушного пространства вблизи канализационного люка. Получаемая в результате модельных расчетов аэродинамическая картина отображена на рис. 10. В обоих, проводимых при различных температурах окружающей среды, опытах наблюдалось образование факела выброса H 2 S. При отрицательной температуре окружающей среды (рис. 8Б) также наблюдалось снижение факела за счет возникающей стратификации воздушных масс. Формирование «петли» потока осуществлялось на высоте 12 м от поверхности земли.
Рис. 10. Результаты моделирования воздушного пространства у люка. Гидродинамическая картина: A — при температуре наружного воздуха T = 298 ° K , Б — при температуре наружного воздуха T = 266 ° K
Дальнейшая разработка данной модели позволит определять зону распространения H 2 S в зависимости от различных климатических параметров и величину концентрации в приземных слоях атмосферы вблизи сооружения КГН. На основании данных величин сможет быть сформирован комплексный подход к оценке воздействия объекта КГН на окружающую среду с учетом всех технологических особенностей.
Литература:
- Лукиных А. А., Лукиных Н. А. Таблица для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле академика Н. Н. Павловского. М.: Стройиздат, 1974. 156 с.
- СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85. М.: Стандартинформ, 2019. 87 с.
- СанПиН 2.1.6.1032–01. Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 12 с.
