Modelování dělení průtoků v nátokových galeriích

ABSTRAKT

Hlavním cílem práce byla optimalizace objektů sloužící k rozdělení průtoků v nátokových galeriích, které se využívají nejen v úpravnách vod, ale i v čistírnách odpadních vod (ČOV). Působením v oblasti problematiky ČOV se zjistilo, že se v České republice a ani ve světě nevyskytují optimalizované objekty pro rovnoměrné rozdělení průtoků na libovolné množství nátokových větví do nádrží o stejném průtoku. V současné době jsou ve většině neregulovaných objektů mezi jednotlivými nátokovými větvemi k nádržím značné rozdíly. U regulovaných objektů je nutné výtokové otvory regulovat při každé změně průtoku a u změn množství nátoků do nádrží (např. z důvodu odstavení nádrže) manuálně doupravit každý výtokový otvor (např. pomocí stavítka) tak, aby všechny nátoky do nádrží měly stejný průtok. V modernějších případech je stavítko osazeno elektromotorkem pro změnu polohy a sondou snímající výšku hladiny. Centrální jednotka následně dopočítává průtok v jednotlivých nátocích do nádrží a upravuje polohu stavítek tak, aby bylo všude dosaženo stejných průtoků. Cílem výzkumu bylo optimalizovat rozdělovací objekt tak, aby nátoky do nádrží dosahovaly u průtoku podobných hodnot jak při změně přítoku na rozdělovací objekt, tak i při změně množství nátokových větví do nádrží, a to bez významné regulace na rozdělovacím objektu. Aby byl výzkum snadno aplikovatelný na co největší množství rozdělovacích objektů, byly k řešení problematiky vybrány nejčastěji používané objekty pro dělení průtoků (kašnový přeliv, žlab s výtokovými otvory osazenými stavítkem a sondou pro monitoring výšky hladiny a další). Na vybraných objektech různých variant a tvarů byly simulovány různé průtokové stavy, po jejichž analýze byly objekty optimalizovány tak, aby bylo dosaženo co nejpodobnějších průtoků na nátocích do jednotlivých nádrží.

ÚVOD

Tento článek představuje CFD (Computational Fluid Dynamics) model vybraného objektu rozdělující průtoky na ČOV. Tento objekt byl vybrán, protože patří k nejpoužívanějším na ČOV. Objekt rozděluje průtok z provzdušňovacích nádrží do čtyř nádrží. Pozorování během provozu ukázala, že průtok není rozdělen rovnoměrně – mezi nátoky do jednotlivých nádrží jsou značné rozdíly.

Na modelu bylo simulováno jednofázové proudění s čistou vodou. Vzduchové bubliny ani vločky kalu nebyly zahrnuty. Analýza citlivosti ukázala určitý vliv charakteristik turbulence na přítoku na konečné výsledky. Vzhledem k tomu, že přítok pochází přímo z provzdušňovací nádrže s jemnobublinnou aerací, je určení turbulence velmi obtížné. Všechny výsledky pocházejí z nekalibrovaného modelu.

Jelikož průtoky, které se mají simulovat, nebyly výslovně specifikovány, byly zvoleny tyto průtoky:

Tab. 1. Simulované průtoky

Tab. 1. Simulated flows

Geometrie modelu byla nastavena podle dostupných výkresů nejvyužívanějších objektů na ČOV. Byla simulována 10 m dlouhá část provzdušňovací nádrže spolu s konstrukcí rozdělující proudění. To proto, aby bylo dosaženo plně rozvinutého proudového pole na začátku struktury rozdělující proudění [1].

Obr. 1. CFD model – příčný řez – simulovaná část vyznačena červeně

Fig. 1. CFD model – cross section – simulated part marked in red

Obr. 2. CFD model – půdorys – simulovaná část vyznačena červeně

Fig. 2. CFD model – floor plan – simulated part marked in red

METODIKA

Před každou simulací je důležité obecně pochopit, jak konstrukce funguje, a stanovit zde probíhající nejdůležitější jevy. Objekty rozdělující proudění jsou obvykle založeny na výtokových otvorech. Přepadová rychlost výtokového otvoru je dána hydraulickým převýšením před ním. Mají-li tedy otvory stejné délky stejnou přelivnou výšku, musí být průtok stejný. I malá změna výšky hladiny však způsobuje velké rozdíly mezi průtoky.

To je problém tohoto objektu. Koryto, které rozvádí průtok do čtyř výtokových otvorů, je poměrně dlouhé a vytvoří se podél něj linie zpětného vzdutí. Hladina vody v objektu tedy nebude konstantní. Otvory na dně, jež odvádějí vodu do zdrží, jsou poměrně velké, a proto nepřispívají k rovnoměrnému rozdělení průtoku.

Průběh hladiny v objektu

Byly provedeny čtyři různé simulace rozdělovacího objektu s různými průtoky. Výsledky ukazují, že výše uvedené úvahy jsou správné. Na začátku koryta dochází k poklesu hladiny vody. Jak voda proudí z provzdušňovací nádrže do úzkého koryta rozdělovacího objektu, zvyšuje se rychlostní převýšení, a proto musí hladina vody klesat. Dále podél koryta část vody protéká bočními otvory do nádrží, rychlost proudění se snižuje a hladina vody se zvyšuje [2].

Model to ukazuje při všech průtocích. Při nízkých průtocích (377 a 566 l/s) je rozdíl tak malý, že tento efekt je pouze teoretický a ve skutečnosti je významnější rozdíl v hladině vody způsobený jinými faktory (vlny, vítr). Při vysokých průtocích (3 000 a 6 000 l/s) je však tento efekt poměrně významný. To ilustrují následující obrázky (obr. 3–7). Barevná škála ukazuje rozdíl mezi aproximací konstantní hladiny a simulovanou hladinou vody v metrech.

Všechny popsané efekty jsou ještě lépe vidět na obr. 7. Výška hladiny vody je zde vyjádřena v metrech.

Obr. 3. Simulovaný rozdíl hladin Q = 377 l/s

Fig. 3. Simulated water level difference Q = 377 l/s

Obr. 4. Simulovaný rozdíl hladin Q = 566 l/s

Fig. 4. Simulated water level difference Q = 566 l/s

Obr. 5. Simulovaný rozdíl hladin Q = 3 000 l/s

Fig. 5. Simulated water level difference Q = 3 000 l/s

Obr. 6. Simulovaný rozdíl hladin Q = 6 000 l/s

Fig. 6. Simulated water level difference Q = 6 000 l/s

Obr. 7. Simulovaná hladina vody v průtočném rozdělovacím objektu

Fig. 7. Simulated water level in the flow distribution object

VÝSLEDKY

Následující obrázky ukazují obrysy simulovaných rychlostí proudění v příčných řezech koryta a v otvorech, což může poskytnout určitou představu o obecném průběhu proudění.

Na začátku koryta dochází k poměrně výraznému zúžení proudění. Znamená to, že první polovina prvního otvoru není hydraulicky plně využita. To je opět důležitější za podmínek vysokého průtoku. Tento efekt by mohl být ve skutečnosti méně významný než v modelu, protože v provzdušňovací nádrži je vysoká turbulence, již je v modelu obtížné posoudit.

Barvy znázorňují celkovou velikost rychlosti. Proto je rychlost v posledním otvoru nejnižší. Složka „y“ rychlosti je v prvních třech otvorech poměrně významná [3].

Obr. 8. Obrysy velikosti rychlosti proudění Q = 377 l/s

Fig. 8. Flow velocity contours Q = 377 l/s

Obr. 9. Obrysy velikosti rychlosti proudění Q = 566 l/s

Fig. 9. Flow velocity contours Q = 566 l/s

Obr. 10. Obrysy velikosti rychlosti proudění Q = 3 000 l/s

Fig. 10. Flow velocity contours Q = 3 000 l/s

Obr. 11. Obrysy velikosti rychlosti proudění Q = 6 000 l/s

Fig. 11. Flow velocity contours Q = 6 000 l/s

Rozdělení průtoků

Následující tabulka a diagram ukazují rozložení průtoku při různých podmínkách proudění. Protože nebyly k dispozici žádné naměřené údaje, nešlo model kalibrovat. Citlivost průtoků na výšku přepadu byla upravena pouze podle teoretické křivky průtoku. Předběžné výsledky ukázaly podobné rozložení průtoku za všech průtokových podmínek, ale vyšlo najevo, že za nízkých průtoků jsou přepady příliš citlivé na výšku přepadu. Konečné výsledky po odpovídající úpravě této citlivosti jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2. Rozdělení průtoků

Tab. 2. Flow distribution

Obr. 12. Rozdělení průtoků

Fig. 12. Flow distribution

Výsledky ukazují, že rozdělení průtoků je při nízkých hodnotách rozloženo poměrně rovnoměrně, avšak se zvyšujícím se průtokem nerovnoměrnost rozložení vzrůstá, což je způsobeno výše popsanými rozdíly v hladině vody [4].

DISKUZE

Jelikož výsledky ukázaly, že rozložení průtoku není závislé na samotném průtoku, bylo navrženo vyřešit problém úpravou délek přepadů.

Zavedení přepážek napříč korytem se také nejeví jako dobrý nápad. Koryto je samo o sobě poměrně úzké a zavedení jakýchkoli větších překážek v něm by snížilo jeho hydraulickou kapacitu a problém spíše zhoršilo.

Nejlepším řešením je zřejmě úprava velikosti otvorů na dně koryta pro rozdělení průtoku. Menší otvory na konci koryta způsobí hydraulickou ztrátu, která bude kompenzovat vyšší hladinu vody při vysokých průtocích. Za nízkých průtoků bude hydraulická ztráta malá a rozdělení průtoku nebude ovlivněno.

Nastavení velikosti spodních otvorů

Bylo provedeno několik simulací s cílem najít nejlepší možnou kombinaci velikostí otvorů. Optimalizace vycházela z maximálního průtoku (6 000 l/s) a pro potvrzení dobré funkce konstrukce při nízkém průtoku byl použit průtok 566 l/s.

Simulace byly prováděny iteračně. Nejprve byla velikost otvorů zmenšena na polovinu původní velikosti. Původní otvory byly velmi velké (rychlost 0,136 m/s při maximálním průtoku), a i když se jejich velikost zmenšila na polovinu, nezpůsobovaly velké energetické ztráty. Bylo simulováno proudění takto upravenou konstrukcí a získány průtoky do jednotlivých nádrží.

Proces optimalizace

Následující tabulky a grafy ukazují výsledky simulací výše uvedených verzí a ilustrují iterační proces.

Tab. 3. Porovnání různých fází iteračního procesu (Q_max)

Tab. 3. Comparison of the different phases of the iterative process (Q_max)

Obr. 13. Ukázka iteračního procesu

Fig. 13. Example of iterative process

Navrhované zlepšení

Navrhované zlepšení je znázorněno na následujícím nákresu (obr. 14). Červeně šrafované oblasti znázorňují umístění plechů, které uzavírají části otvorů. Při simulacích byly tyto přepážky umístěny na straně kanálu a byly zarovnány se stěnou kanálu.

Obr. 14. Konečné rozměry navrhovaných otvorů

Fig. 14. Final dimensions of the proposed openings

Obr. 15. Obrysy rychlostí průběhu proudění Q = 6 000 l/s

Fig. 15. Velocity contours of the flow pattern Q = 6 000 l/s

Princip funkce

Obr. 16 znázorňuje funkci přepážek ve spodních otvorech. Přestože hladina vody podél koryta stoupá, hladiny vody v klidových komorách jsou téměř vyrovnané. Rozdíl mezi hladinami vody v korytě a v klidové komoře je způsoben hydraulickými ztrátami způsobenými přepážkami. Barvy na obrázku znázorňují rozdíl mezi aproximovanou konstantní hladinou vody a vypočtenou hladinou.

Obr. 16. Hladina vody v rozdělovacím objektu

Fig. 16. The water level in the distribution object

ZÁVĚR

Následující tabulka a diagram ukazují srovnání výsledků simulace pro současný stav a konečné navrhované zlepšení. Pro zlepšení byl zatím simulován pouze maximální průtok (Q_max) a průměrný denní průtok (Q₂₄). Z výsledkové tabulky je patrné, že navrhovaný stav rozdělovacího objektu splňuje podmínky pro rovnoměrné rozdělení průtoků, a cíle výzkumu tak byly naplněny. Vzhledem k tomu, že vybraný rozdělovací objekt je běžně používán v terénu, je možné výsledky výzkumu snadno aplikovat v praxi, a to na větším množství ČOV.

Tab. 4. Srovnání současného stavu a navrhovaného zlepšení

Tab. 4. Comparison of the current situation and proposed improvements

Obr. 17. Srovnání současného stavu a navrhovaného zlepšení

Fig. 17. Comparison of the current situation and proposed improvements

Další možná zlepšení

Toto vylepšení ukazuje, že je možné problém nerovnoměrného rozdělení průtoků omezit zavedením přepážek do otvorů, jejichž montáž je rychlá, jednoduchá a bez nutnosti stavebních úprav objektů. Další pozornost v případném navazujícím výzkumu by měla být věnována tvaru přepážek. Nelze totiž vyloučit, že některé sedimenty by se mohly hromadit v klidových zónách za těmito přepážkami a zejména v rozích (obr. 18), což by do budoucna mohlo způsobit problém se zanášením nátokových větví do nádrží sedimentem. Zanesením sedimentem pak bude s velkou pravděpodobností ovlivněna hydraulika rozdělovacího objektu tak, že dojde k opětovnému nerovnoměrnému rozdělení průtoků.

Obr. 18. Sediment se bude pravděpodobně hromadit v mrtvých zónách v rozích

Fig. 18. Sediment is likely to accumulate in dead zones in the corners

Poděkování

Tento článek byl podpořen grantem 3600.54.10/2021 „3D modelování vybraných variant dělení průtoků v nátokových galeriích“.

Příspěvek prošel lektorským řízením.