авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Исследование функционирования и подбор оптимальной конструкции рассеивающего выпуска сточных вод в условиях водоема и водотока

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Святослав Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПОДБОР

ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РАССЕИВАЮЩЕГО ВЫПУСКА

СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ ВОДОЕМА И ВОДОТОКА

Специальность 05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре водопользования и экологии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лапшев Николай Николаевич

Официальные оппоненты: Ильин Юрий Александрович,

доктор технических наук, профессор,

ФГКВОУ ВПО «Военный институт (инженерно-технический) военной академии тыла и транспорта имени генерала армии А.В. Хрулева», профессор кафедры жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры;

Гиргидов Артур Давидович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры гидравлики

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный

университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «14» октября 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «»

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент Пухкал Виктор Алексеевич

I. Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Вопросы экологической безопасности имеют огромное значение в крупных городах и промышленных центрах. Особенно это касается водных объектов, являющихся ценным ресурсом, использующимся почти во всех отраслях народного хозяйства. За счет хозяйственной деятельности влияние человека на качество водных ресурсов в XXI веке приняло глобальный характер. С помощью огромного числа инженерных сетей и каналов по всей планете в технологический оборот запускается большая часть естественного стока воды. Цикл водопользования при производстве товаров и услуг определяет санитарное состояние водоемов. Необходимо отметить, что в данной цепочке важнейшую роль играет потенциал самоочищения водного объекта, который зависит от условий сброса сточных вод и процесса массообмена.

Сточные воды после предварительной очистки поступают в водоем, где в дальнейшем протекают процессы разбавления и самоочищения. Одной из причин ухудшения качества воды может быть увеличение нагрузки на водный объект или снижение эффективности функционирования выпусков. Свести негативное воздействие к минимуму может позволить своевременный анализ всех возможных вариантов сброса стоков и составление плана охраны вод на базе использования математического моделирования и оптимизации водоохранных мероприятий.

Специфика разработки программ водоохраны, сочетающихся с прогнозом качества воды, выдвигает определенные требования к моделям формирования качества воды. Спектр процессов, протекающих в водной среде, достаточно сложен, поэтому выбор модели должен определяться характером вопроса, требующего решения. На сегодняшний день разработан большой комплекс математических моделей, позволяющих имитировать и исследовать различные процессы в водном объекте.

Степень разработанности темы исследования. Основные (базовые) методы прогнозирования качества воды отражены в работах А.В. Фролова – И.Д. Родзиллера, А.В. Караушева, Н.Н. Лапшева, А.Д. Гиргидова, Р.В. Озмидова, А.М. Айтсама, А.М. Руффеля, Ю.А. Ибад-Заде, Л.Л. Пааля, Ю.Б. Безобразова и др. Из современных работ можно выделить результаты, полученные М. Сауди, Б.В. Архиповым, C.Г. Орадовским, С.Г. Сидиропуло, L. Teichmann. Указанными авторами решалась задача по получению общей кратности разбавления или распространения примеси в водоемах (озерах и морях) и водотоках в рамках n-мерной, стационарной и нестационарной задачи. Для этого применялись приближенный аналитический подход или численные методы решения. В большинстве методов рассматривается сосредоточенный сброс примеси. Случай рассеивающего выпуска рассматривается в работах Н.Н. Лапшева и А.Д. Гиргидова. При этом только у Лапшева расчеты начального и основного разбавления взаимоувязаны. Также в современных работах большое внимание уделяется моделированию конкретных водных объектов, где акцент исследования ставится на гидрологический режим и его влияние в распространении, и трансформации поступающих со сточными водами загрязнений.

Проведенный обзор методов отражает недостаточную изученность влияния конструкции рассеивающего выпуска на процесс основного разбавления сточных вод. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта основного разбавления сточных вод вследствие изменения конструктивных параметров рассеивающего выпуска.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования изучение системы взаимодействия «рассеивающий выпуск сточных вод – водоем (водоток)» с разработкой конструкций выпусков, обеспечивающих повышение эффективности основного разбавления.

Объектом исследования является процесс основного разбавления очищенных сточных вод.

Задачи исследования:

1. Усовершенствовать модели, описывающие распространение примеси в условиях водоема (водотока) с течением времени и учитывающие функционирование рассеивающего выпуска.

2. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для исследования зависимости эффективности разбавления сточных вод от различных видов конструкции рассеивающего выпуска и направления диктующего течения в водном объекте.

3. Провести модельные расчеты для исследования факторов, определяющих эффективность начального и основного разбавления сточных вод при функционировании рассеивающего выпуска.

4. Разработать методику подбора экономически оптимальной конструкции выпуска с учетом степени очистки сточных вод.

Методологической основой диссертационного исследования послужил анализ литературных источников по прогнозированию качества воды, основные положения нормативной документации по правовому регулированию расчета и контроля сброса сточных вод, метод математического моделирования процесса турбулентной диффузии примесей с использованием программного пакета аналитических вычислений «Maple», методы построения алгоритмов и программирования на ЭВМ, оценка влияния конструкции выпуска на основное разбавление, метод расчета приведенных затрат с учетом эффективности функционирования выпуска.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. На основе аналитического решения уравнения турбулентной диффузии усовершенствованы математические модели распространения сточных вод в водоеме и водотоке в условиях нестационарной задачи. Модель проверена на данных натурных наблюдений и экспериментов;

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для инженеров «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA», которое позволяет оперативно производить расчет качества воды. Результатами расчета программы выступает поле концентрации примеси в водоеме, образующееся с течением времени, а также функции распределения концентрации в продольном и поперечном направлении.

3. Исследование факторов, определяющих эффективность разбавления сточных вод от рассеивающего выпуска. На основании выполненных модельных расчетов были получены следующие результаты:

- Обобщены исследования в области начального разбавления сточных вод.

- Для условий водоема доказана интенсификация процесса основного разбавления при увеличении расстояния между оголовками на распределительном трубопроводе выпуска. Для водотока показано отсутствие влияния модификации рассеивающего выпуска на основное разбавление.

- Оптимальным условием работы выпуска является перпендикулярность направления диктующего течения по отношению к распределительному трубопроводу. Рассмотрены модификации распределительного трубопровода и показана эффективность V-образной конструкции.

- С целью улучшения условий разбавления для действующих выпусков в реке предложен режим отключения отдельных оголовков.

4. Разработана методика определения оптимальной конструкции выпуска с учетом затрат на очистку сточных вод и стоимости выпуска.

Практическая значимость и реализация результатов исследований состоит в том, что полученные в работе результаты и рекомендации могут быть использованы в инженерной практике при эксплуатировании и проектировании выпусков на станциях очистки сточных вод, аварийных сбросах канализационных насосных станций и т.д. Разработанное программное обеспечение может использоваться в проектных организациях, в дальнейшем исследовании турбулентной диффузии примесей и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СПбГАСУ» по дисциплине «Прогнозирование качества воды». Результаты работы представлены в отчетах о выполнении научных проектов по конкурсу грантов 2010, 2011 годов для студентов, аспирантов ВУЗов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Часть научных исследований выполнялась с участием студентов по гранту СПбГАСУ и представлены в отчете №18С/11 (Номер государственной регистрации: 01201180345). Результаты работы использованы в проектной документации для обоснования конструкции выпуска (шифр: 34.060/12 ООО «ПСБ КОНСТРУКТОР»). При разработке новой конструкции рассеивающего выпуска взамен существующей конструкции, получен экономический эффект в снижении затрат по объектам воспроизводства рыб на 582 224 руб. (в ценах 2012 г.).

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается современными средствами научных исследований, использованием фундаментальных положений турбулентной диффузии, применением современных компьютерных программ, хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов тестовых задач с результатами, полученными другими авторами в натурных и лабораторных экспериментах, а также качественным согласованием с данными функционирования действующих рассеивающих выпусков очистных станций Санкт-Петербурга.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, СПбГАСУ (3-5 февраля 2010 г., 2-4 февраля 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водоснабжения и водоотведения. Вода – 2011» (г. Одесса, ОГАСА, 8-10 сентября 2011 г.), XIV Международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (27-29 апреля 2011 г., МГСУ), IWA 4th Восточно-Европейской конференции «Опыт и молодость в решении водных проблем» (Санкт-Петербург, Англетер, 4-6 октября 2012 г.), Международный конгресс посвященный 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве – 2012» (10-12 октября 2012 г).

Научные работы по разработке модели и проведению исследований функционирования рассеивающего выпуска подавались на соискание грантов аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга и удостаивались Премии Правительства Санкт-Петербурга в 2010 и 2011 гг. (диплом: ПСП №10691, ПСП № 11606).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, общим объемом 7,95 п.л., лично автором – 5,85 п.л., в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка используемых обозначений и сокращений, шести глав с выводами по каждой из них, заключения. Диссертация содержит 221 страницу машинописного текста, 27 таблиц, 62 рисунка, 94 формулы, 9 приложений и список использованной литературы из 121 наименования работ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Определены цель и задачи работы, указана методологическая основа исследования и научная новизна.

В первой главе проведен анализ основных нормативных актов РФ, определяющих качество воды при различных видах водопользования. Рассмотрены основные методы прогнозирования качества воды. Выполнена оценка недостатков расчета в существующих работах.

Во второй главе представлена математическая модель турбулентной диффузии сточных вод при функционировании рассеивающего выпуска в условиях водоема и водотока. Математическая модель основана на аналитическом решении уравнения турбулентной диффузии. В математическом пакете «Maple» производятся первичные расчеты, и выполняется оценка достоверности получаемых функций распределения концентрации.

В третей главе проводится верификация разработанных математических моделей. Для условий водоема используются данные ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» о функционировании действующих выпусков на Центральной станции аэрации (ЦСА) и Северной станции аэрации (ССА), а также результаты экспериментальных исследований Е.Ф. Кононова, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова. Для случая водотока использовались результаты натурных экспериментов В.П. Рогуновича, Л.П. Гореловой, П.М. Ровински, Ю.А. Ибад-Заде, Л.И. Руги.

В четвертой главе рассмотрена реализация расчета разработанных зависимостей в виде инженерной программы «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» («Рассеивающий выпуск сточных вод в море»), показан интерфейс программы, основные принципы и алгоритмы расчета. Рассмотрены основные области применения программы.

В пятой главе представлены результаты модельных расчетов, отражающие влияние конструкции рассеивающего выпуска на эффективность начального и основного разбавления. По начальному разбавлению проанализировано влияние высоты оголовка y1, угла поворота оголовка относительно дна 0, количества оголовков M, скоростного параметра m. Построены номограммы.

Для основного разбавления в водоеме (море, озере) рассмотрено влияние положения оголовков, угла поворота диктующего течения и формы распределительного трубопровода. В реке исследовалась зависимость кратности разбавления от количества оголовков М, ширины реки B, расстояния между оголовками. Также для условий водотока проанализирована работа выпуска в режимах отключения отдельных оголовков.

В шестой главе представлены основные этапы подбора экономически оптимальной конструкции выпуска на примерах морского водоема и реки.

II. Основные положения и результаты исследований диссертации, выносимые на защиту

1. На основе аналитического решения уравнения турбулентной диффузии усовершенствованы математические модели распространения сточных вод в водоеме и водотоке в условиях нестационарной задачи

Распространение примеси в потоке под влиянием турбулентного перемешивания описывается уравнением турбулентной диффузии:

, (1)

где x, y, z – координаты; Vx, Vy, Vz – компоненты скорости течения; Dx, Dy, Dz – коэффициенты турбулентной диффузии; C – концентрация консервативного вещества; t – время; k1 – коэффициент неконсервативности.

Главной задачей является приведение уравнения (1) к более простому виду, имеющему готовое решение, путем введения переменных C1 и С2. Переменная C1 позволяет исключить слагаемое k1C. Переменная C2 учитывает конвективные члены уравнения. Коэффициент Dx выносится за скобку, а полученные соотношения Dy/Dx и Dz/Dx принимаются в качестве масштабных коэффициентов py и pz для новых осей y' и z'. В результате получаем:

. (2)

Математическая модель рассеивающего выпуска для условий водоема

Для условий водоема принимаются следующие допущения:

1) Сброс сточных вод имеет постоянный режим, который характеризуется постоянством расхода q и максимальной концентрации См в начальном пятне:

; . (3)

2) Движение диктующего течения в водоеме принимается установившимся и плавно изменяющимся. Так как в работе рассматривается участок от точки сброса до контрольного створа (500м), то можно пренебречь поперечными составляющими скорости:

;;. (4)

3) Процесс диффузии идет намного медленнее в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, за счет вертикальной плотностной стратификации:

. (5)

4) Основное разбавление начинается от створа, где струя теряет свою индивидуальность и образуется начальное пятно примеси, распределение концентрации в котором описывается функцией:

, (6)

где – переменная, описывающая распределение концентрации в продольном направлении, а – в поперечном.

5) В плане водоемы могут быть приняты безграничными по сравнению с размерами выпуска. Это позволяет предположить, что на бесконечности будет наблюдаться фоновая концентрация примеси Cф:

. (7)

Применяя принятые допущения и используя общее решение уравнения (2) в виде интеграла Фурье, получаем:

, (8)

где функция (,) может быть представлена в виде равномерного, показательного и линейного распределения концентрации.

Для качественной оценки зависимости (8) с помощью программы «Maple» производится расчет концентрации. По результатам расчета построен график (рис. 1), на котором с течением времени отражается последовательное волновое снижение концентрации за счет процесса смешения. Аналогичные закономерности получены ранее другими авторами в работах по изучению коэффициентов продольной и поперечной дисперсии.

В случае рассеивающего выпуска функция (,) описывает совокупность начальных пятен, образующихся в зоне сброса. При работе выпуска образуется M пятен шириной 2Bп и длиной 2Lп. Между границами соседних пятен расстояние 2b. Для примера представлен результат расчета при M = 5 в виде графика (рис. 2).



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.