А. В. Некрасов
ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ EPANET ПРИ РАСЧЕТАХ СИСТЕМ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Текстовый электронный образовательный ресурс
Пособие по дисциплине «Информационные технологии в строительстве» по
направлению подготовки 08.04.01 Строительство для образовательной программы
«Водоснабжение и водоотведение городов и промышленных предприятий».
Подготовлено кафедрой гидравлики
Институт Строительства и архитектуры
Екатеринбург
2024
Содержание
Введение ...................................................................................................................... 4
1. Расчет сети водоснабжения в стационарном режиме работы ....................... 6
1.1. Установка общих параметров проекта........................................................... 6
1.2. Ввод элементов сети ........................................................................................ 8
1.3. Настройка свойств объектов........................................................................... 9
1.4. Гидравлический расчет и просмотр результатов ........................................ 12
1.5. Задания для самостоятельной работы и содержание отчета ...................... 15
1.6. Контрольные вопросы .................................................................................. 16
2. Расчет сети водоснабжения в динамическом режиме ................................. 17
2.1. Графики водопотребления............................................................................. 17
2.2. Просмотр результатов расчета .................................................................... 20
2.3. Задания для самостоятельной работы и содержание отчета ...................... 24
2.4. Контрольные вопросы .................................................................................. 24
3. Моделирование процессов изменения качества воды ................................. 25
3.1. Исходный проект и его корректировка ........................................................ 25
3.2. Моделирование процесса смешения ............................................................. 27
3.3. Просмотр результатов расчета .................................................................... 29
3.4. Расчет гидравлического времени (возраста воды) ...................................... 30
3.5. Задание для самостоятельной работы и содержание отчета ...................... 31
3.6. Контрольные вопросы .................................................................................. 32
4. Анализ потребления энергии ............................................................................ 33
4.1. Исходный проект и его корректировка ........................................................ 33
4.2. Управление по уровню в водонапорной башне ............................................ 35
4.3. Оценка энергоэффективности системы при отсутствии водонапорной
башни.................................................................................................................. 37
4.4. Самостоятельная работа и содержание отчета ........................................... 38
4.5. Контрольные вопросы ................................................................................... 39
5. Гидравлическая калибровка модели сети водоснабжения .......................... 40
5.1. Исходный проект ........................................................................................... 40
5.2. Выполнение калибровки ................................................................................ 42
5.3. Самостоятельная работа и содержание отчета ........................................... 43
5.4. Контрольные вопросы ................................................................................... 44
6. Моделирование процессов истечения жидкости ........................................... 45
6.1. Предварительные замечания ......................................................................... 45
6.2. Задание для самостоятельной работы и содержание отчета ...................... 46
6.3. Контрольные вопросы ................................................................................... 47
7. Расчет узловых отборов ..................................................................................... 48
7.1. Выполнение работы ....................................................................................... 48
7.2. Содержание отчета ........................................................................................ 54
7.3. Контрольные вопросы ................................................................................... 54
8. Проектирование сети водоснабжения ............................................................. 56
2
8.1. Постановка задачи.......................................................................................... 56
8.2. Настройка проекта ......................................................................................... 56
8.3. Построение схемы сети ................................................................................. 57
8.4. Порядок выполнения расчетов ...................................................................... 58
8.5. Отчет о работе ................................................................................................ 60
8.6. Варианты исходных данных .......................................................................... 62
Библиографический список .................................................................................. 69
3
Введение
Epanet – это компьютерная программа, предназначенная для моделирования
изменения гидравлических параметров и качества воды в сетях водоснабжения,
работающих под давлением.
Программа разработана Агентством по охране окружающей среды США
(United States Environmental Protection Agency – EPA) и является свободно распространяемой.
В Epanet используется современный механизм гидравлического анализа со
следующими возможностями:
– не накладывает ограничений на размер анализируемой сети;
– позволяет вычислять потери напора, обусловленные трением, с использованием моделей Хазена-Уильямса, Дарси – Вейсбаха и Шези –Маннинга;
– позволяет учитывать потери напора в местных сопротивлениях (коленах,
фитингах и т. п.);
– моделирует работу сетей с насосной подачей воды, не накладывая ограничений на их количество и точки установки;
– рассчитывает затраты на потребляемую энергию;
– моделирует различные типы клапанов, включая запорные, обратные, клапаны
регулирования давления и расхода.
– позволяет моделировать работу сетей с накопительными резервуарами (водонапорными башнями) любой формы (в том числе с изменяющейся по высоте
формой поперечного сечения);
– позволяет учитывать неравномерность потребления воды во времени в узловых точках сети различных видов, задаваемых пользователем;
– моделирует потребление зависящее от давления (истечение);
– позволяет моделировать управление системой как путем простого управления,
например, в зависимости от уровня воды в питающем резервуаре или по времени,
так и управление на основе заданных правил.
В дополнение к гидравлическому моделированию Epanet предоставляет возможность моделировать процессы изменения качества воды в сети:
– моделирует изменение концентрации веществ как при их увеличении, так и
при уменьшении в течение времени;
– рассчитывает время пребывания воды («возраст») воды в сети;
– рассчитывает долю расхода воды от конкретного узла, достигающего всех
других узлов через некоторое время
– моделирует объемные и пристенные реакции;
– моделирует процесс смешения в резервуарах.
Результаты моделирования отображаются в виде таблиц и графиков. Схемы
сетей и параметры их элементов можно экспортировать в текстовые файлы, на
уровне которых обеспечивается совместимость с некоторыми коммерческими приложениями, например: WaterGEMS, Hammer (Bentley Systems, USA), ZuluHydro
(Политерм, Россия) и др.
4
Данное пособие предназначено для студентов, знакомых с основами гидравлики и принципами функционирования распределительных систем водоснабжения в
объемах соответствующих курсов для строительных специальностей вузов. Оно
позволяет получить базовые навыки использования ПО Epanet при выполнении
расчетов. Детальное описание приложения приводится в Руководстве пользователя [1].
Основные теоретические сведения о законах гидравлики и особенностях их
использования при расчетах сетей водоснабжения приведены в пособиях [2, 3].
При подготовке пособия использован учебный курс Water Distribution Design
and Modeling – Applying WaterCAD and WaterGEMS, Full Version V8 XM (Bentley
Systems, USA) и файлы соответствующих учебных проектов (п. 1–5), а также
авторские проекты, являющиеся неотъемлемой частью данного пособия (выдаются
преподавалем).
5
1. Расчет сети водоснабжения в стационарном режиме работы
Целью данной работы является получение первоначальных навыков использования ПО Epanet. В ходе выполнения работы рассматриваются следующие вопросы:
– установка общих параметров проекта;
– ввод и корректировка элементов сети;
– гидравлический расчет сети в стационарном режиме и просмотр его результатов.
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя Epanet [1]. Необходимые сведения о гидравлике трубных течений изложены
в пособиях [2, 3].
1.1. Установка общих параметров проекта
Чтобы создать новый проект после запуска Epanet выберите пункт меню Файл
>> Новый. Затем выберите Проект >> По умолчанию, чтобы открыть диалоговое
окно, показанное на рис. 1.1.
С его помощью задаются параметры маркировки объектов при их добавлении
на в схему сети. В строке установите Шаг инкремента 1. Префиксы обозначений
можно оставить без изменений.
Рис. 1.1. Диалоговое окно Настройки проекта по
умолчанию. Имена объектов
Выберите страницу Гидравлика (рис. 1.2) диалогового окна и установите
Единицы расхода ЛМ (литры в минуту). Для всех других величин будут использоваться общепринятые единицы измерения: длина – метры, диаметр трубы – мил6
лиметры и т. д.). В качестве формулы для расчета потерь напора укажите Д-В
(формула Дарси – Вейсбаха). Убедитесь, что значения Коэф. удельного веса (плотность жидкости, г/см3) и Коэф. кинемат. вязкости (кинематический коэффициент
вязкости жидкости, мм2/с) равны 1, т. е. жидкость – вода. При желании этот набор
параметров можно сохранить для всех будущих новых проектов, установив соответствующий флажок в нижней части окна.
Рис. 1.2. Диалоговое окно Настройки проекта по
умолчанию. Гидравлика
Выберите страницу Свойства объектов и установите значения параметров,
принимаемые по умолчанию, показанные на рис. 1.3. При желании этот набор
параметров можно использовать для всех будущих новых проектов, установив соответствующий флажок в нижней части окна. Завершите работу с окном кнопкой
ОК.
Рис. 1.3. Диалоговое окно Настройки проекта по
умолчанию. Свойства объектов
7
Далее зададим некоторые параметры отображения схемы (карты), чтобы
при добавлении объектов отображались их идентификационные номера и символы. Выберите пункт меню Вид >> Настройки, чтобы вызвать диалоговое окно
Настройки карты. Выберите пункт Подписи объектов и задайте настройки, показанные на рис. 1.4. Затем перейдите к пункту Символы и установите все флажки.
Рис. 1.4. Диалоговое окно Настройки карты. Подписи
объектов
Нажмите кнопку OK, чтобы принять эти варианты и закрыть диалоговое
окно.
1.2. Ввод элементов сети
На рис. 1.5 показана схема сети, расчет которой необходимо выполнить. Для
изображения схемы на экране используется мышь и кнопки панели инструментов
(если панель инструментов не отображается, выберите пункт меню Вид >> Панели
инструментов >> Карта).
Сначала добавим резервуар. Нажмите кнопку Резервуар
на панели инструментов и разместите его на экране.
на панели инДалее добавьте узловые точки сети. Нажмите кнопку Узел
струментов и разместите на экране узлы с J1 по J10 .
Кнопкой
добавьте резервуар-накопитель (водонапорную башню).
Теперь соедините элементы сети трубопроводами Р1 – Р10. Для этого нажмите
кнопку Трубопровод
на панели инструментов.
на панели инструментов и разместите его между
Нажмите кнопку Насос
узлами J7 и J8. Обратите внимание на направление движения жидкости: от узла
J7 к узлу J8.
8
Рис. 1.5. Схема сети
на панели инструментов и разместите ее
Нажмите кнопку Задвижка
между узлами J10 и J9. Необходимо иметь в виду, что Задвижка – условный термин. С помощью данного элемента в Epanet моделируют различные местные сопротивления и клапаны.
1.3. Настройка свойств объектов
Когда тот или иной объект добавляется в проект, ему назначается набор свойств
по умолчанию. Чтобы изменить значение конкретного свойства объекта, необходимо вызвать на экран Редактор свойств. Это можно сделать несколькими способами. Если редактор уже виден, достаточно просто щелкнуть требуемый объект.
Если редактор не виден, то его можно открыть двойным щелчком по объекту или
из пункта контекстного меню Свойства при нажатии правой клавиши мыши.
Для настройки свойств узлов щелкните дважды по узлу J1 (рис. 1.6).
Во всех узлах нужно задать два параметра – высотную отметку и узловой
расход (отбор). Их значения указаны
в табл. 1.1.
Для перемещения между полями
Редактора можно использовать стрелки
клавиатуры или мышь. Чтобы перейти
к следующему или предыдущему объекту того же типа нажмите клавишу
Page Dn или Page Up клавиатуры.
Для резервуара введите его отметку
Рис. 1.6. Редактор свойств узла
(198 м) в поле Общий напор.
9
Таблица 1.1
Высотные отметки и узловые отборы
Узел
J1
J2
J3
J4
J5
J6
J7
J8
J9
J10
Высотная отметка, м
184
185
184
183
185,5
165
184
184
183
183
Узловой расход
(отбор), л/мин
38
31
34
38
350
356
0
0
0
0
Параметры резервуара-накопителя показаны на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Редактор свойств резервуаранакопителя
Введите параметры задвижки (рис. 1.8). В данном примере она будет моделировать редукционный клапан (тип ОДВ). Это устройство поддерживает давление
за собой (т. е. ниже по течению) не выше заданного давления настройки. В нашем
случае напор за клапаном не должен превышать 40 м. Это значение вводится в
строке Параметр.
Задайте параметры трубопроводов, указанные табл. 1.2 . Шероховатость их
стенок принимается по умолчанию (0,5 мм).
Задайте расходно-напорную характеристику насоса. Для этого выберите в окне
Обзор пункт Кривая и создайте новую кривую. В окне редактора кривых (рис. 1.9)
укажите ее тип Насос и введите значения расхода (3600 л/мин) и напора (27 м),
10
Рис. 1.8. Редактор свойств задвижки
Таблица 1.2
Длины и диаметры трубопроводов
Трубопровод
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Р6
Р7
Р8
Р9
Р10
Длина, м
45
45
550
335
522
342
115
45
45
52
Диаметр, мм
1000
1000
150
150
150
150
150
150
150
150
Рис. 1.9. Редактор кривых
11
соответствующие максимальному КПД. Epanet построит график характеристики
и покажет соответствующую ей формулу (Уравнение).
В качестве примечания необходимо заметить, что определение характеристики
насоса по одной точке является приближенным. При выполнении реальных расчетов следует указывать по меньшей мере три точки графика характеристики из
паспортных данных насоса.
Задайте произвольное имя кривой и ее описание (при необходимости). Если
характеристику насоса предполагается использовать в других проектах, то ее
можно сохранить в отдельном файле.
Двойным щелчком откройте окно свойств насоса и в строке Кривая производительности укажите имя (номер) кривой расходно-напорной характеристики
(рис. 1.10).
Рис. 1.10. Окно свойств насоса
После завершения ввода параметров сохраните проект.
1.4. Гидравлический расчет и просмотр результатов
Для выполнения гидравлического расчета выберите пункт
на панели
меню Проект >> Выполнить или нажмите кнопку
инструментов. Если запуск был неудачным, на экране появится окно, в котором будет указано, в чем именно заключалась
проблема.
Результаты расчета можно увидеть несколькими способами.
1. Выберите, например, элемент Давление на странице
Карта окна Обзор (рис. 1.11). При этом узлы будут окрашены
в разные цвета в соответствии с давлениями в них. Чтобы просмотреть легенду цветового кодирования, выберите в меню Вид Рис. 1.11. Окно
>> Легенда >> Элементы. Чтобы изменить интервалы и цвета
Обзор
12
легенды, щелкните по ней правой кнопкой мыши. Предлагаем самостоятельно познакомиться с возможностями Редактора легенды.
2. Откройте Редактор свойств интересующего элемента. Обратите внимание,
что результаты расчета отображаются в конце списка свойств.
3. Создайте таблицу результатов, выбрав в меню Отчет >> Таблица или
нажмите кнопку Таблица . На рис. 1.12 показана таблица для рассматриваемого
примера.
Рис. 1.12. Таблица результатов расчета
Если в результате расчета некоторые потоки будут отрицательными, то это
означает, что они движутся противоположно направлениям, в которых трубопроводы были начерчены изначально. Для отображения на схеме направлений движения
потоков выберите пункт меню Вид >> Настройки >> Стрелки в диалоговом окне
Настройки карт и укажите стиль стрелок.
4. Результаты расчетов можно представить в графическом виде. Для построения графиков используется пункт меню Отчет>> График или кнопка
.В
окне Выбор графика укажите его тип Профиль (последовательность элементов)
и Параметр (например, Высотная отметка). Далее на схеме щелкните по необходимому элементу (в нашем случае по узлу) и нажмите кнопку Добавить. Все
выбранные элементы будут отображаться в окне (рис. 1.13). При необходимости
их можно удалять или менять последовательность. Если введенный профиль предполагается использовать в дальнейшем, рекомендуется его сохранить (на диске
файл профиля имеет расширение .pro).
После нажатия кнопки ОК на экран будет выведен соответствующий график
(рис. 1.14).
После нажатия правой клавиши мыши проявится окно Настройки графика,
которое позволяет выбрать параметры его отображения (рис. 1.15).
Возможные настройки графика предлагается изучить самостоятельно.
13
Рис. 1.13. Окно Выбор графика
Рис. 1.14. Пример графика высотных отметок узлов
Рис. 1.15. Окно Настройки графика
График можно сохранить для дальнейшего использования, нажав кнопку
Копировать
.
14
1.5. Задания для самостоятельной работы и содержание отчета
Параллельно насосу постройте трубопровод с диаметром 1000 мм, длиной 10 м.
Отключите насос (рис. 1.16). Рассчитаете расходы в этом трубопроводе при различных значениях Общего напора в резервуаре R1 (не менее пяти), что позволит
построить характеристику сети.
Используя приложение для работы с электронными таблицами (Excel,
OpenOffice Calc и т. п.) рассчитайте напор насоса по формуле, построенной Epanet
(см. рис. 1.9) для полученных значений расходов. К этим напорам необходимо
добавить напор в резервуаре R1. Таким образом, будет получена характеристика
насоса с учетом напора в источнике воды.
Рис. 1.16. Параллельный трубопровод
Постройте в одних координатных осях характеристики насоса и сети.
Определите координаты точки их пересечения – рабочую точку насоса. Сравните
эти значения с полученными ранее при включенном насосе.
Экспортируйте созданный проект в текстовый файл (меню Файл >> Экспорт
>> Схема), изучите его содержимое с помощью приложения Блокнот компьютера
или аналогичной. Импортируйте сведения об узлах и трубопроводах в электронную
таблицу (наименования элементов должны иметь текстовые значения).
Отчет по работе представляется в виде файла электронной таблицы (.xls, .xlsx,
.ods). Имя файла: «Фамилия студента - № группы - 1».
Содержание отчета:
Лист 1. Таблица и графики для определения рабочей точки насоса. Вывод о
соответствии параметров рабочей точки расчету Epanet.
Лист 2. Результат импорта сведений об узлах схемы.
Лист 3. Результат импорта сведений о трубопроводах.
15
1.6. Контрольные вопросы
1. Давление и напор в жидкости, их виды, единицы измерения.
2. Скорость и расход жидкости в трубе. Единицы измерения расхода. Скоростной
(динамический) напор. Закон сохранения расхода.
3. Местные и линейные гидравлические сопротивления. Характер изменения
пьезометрического напора по длине трубопровода при наличии сопротивлений.
4. Виды местных сопротивлений. Расчет потерь напора в местных сопротивлениях.
5. Методы расчета линейных гидравлических сопротивлений, реализуемые
Epanet. Коэффициент трения, коэффициент Хазена – Вильямса. Какие свойства
трубопровода оказывают влияние на их величину?
6. Принцип работы центробежного насоса. Характер изменения пьезометрического напора по длине трубопровода при насосной подаче.
7. Расходно-напорная характеристика насоса. Характеристика трубопровода.
Как определяется рабочая точка насоса?
8. Схема системы водоснабжения в Epanet, ее элементы. Какими параметрами
они характеризуются?
16
2. Расчет сети водоснабжения в динамическом режиме
Целью данной работы является знакомство с возможностями Epanet при моделировании работы сети водоснабжения при изменении ее параметров во времени.
Этот вид моделирования называется динамическим. Иногда такие расчеты называются квазистационарными. Иными словами, это несколько последовательно
выполняемых стационарных режимов, выполняемых с автоматическим изменением
заданных параметров.
Работа выполняется с использованием схемы, построенной в ходе выполнения
предыдущей работы (п. 1). Таким образом, после открытия файла данной работы
схему необходимо сохранить под новым именем.
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя Epanet [1]. Необходимые сведения о потребителях воды, необходимые для
выполнения работы, изложены в пособии [2].
2.1. Графики водопотребления
Потребление воды абонентами сети постоянно изменяется (в течение суток,
недели, месяца, года). Это обусловлено различными факторами, связанными с
условиями жизни и работы людей, погодой и т. п.
При выполнении квазистационарных расчетов для заданного периода необходимо задавать графики водопотребления абонентов сети. При этом весь расчетный
период (например, сутки) разбивают на некоторые равные промежутки времени
∆t, в течение которых водопотребление каждого абонента q считают неизменным
и определяют как произведение некоторого базового водопотребления q0 на коэффициент неравномерности k:
q = k q0.
В качестве q0 обычно задают среднее значение водопотребления абонента за
расчетный период. Всех потребителей разбивают на группы, обладающие схожими
свойствами, например: жилые дома, административные здания, промышленные
предприятия и т. п. Потребителей привязывают к конкретным узлам сети.
Epanet позволяет привязывать (ставить в соответствие) к одному узлу потребителей с различными значениями базового водопотребления и графиками
(шаблонами) изменения коэффициентов неравномерности k во времени. В табл.
2.1 представлены значения коэффициентов неравномерности для группы потребителей, условно названных Предприятия, которые будут использоваться в данной
работе.
Сначала зададим общие параметры расчета. В окне Обзор выберите Объекты
>> Настройки >> Время. В окне Время. Свойства в строке Шаг шаблон введите 3
часа, в строке Продолжительность моделирования укажите 24 часа (рис. 2.1).
Чтобы создать шаблон, в окне Обзор выберите Объекты >> Шаблон. Создайте
новый шаблон с помощью кнопки Добавить в нижней части окна. В таблице
17
Таблица 2.1
Коэффициенты неравномерности Предприятия
Время с начала,
Период времени
час.
1
2
3
4
5
6
7
8
3
6
9
12
15
18
21
24
Коэффициент
неравномерности
– множитель, k
0,6
0,8
1,6
1,6
1,2
0,8
0,6
0,4
Рис. 2.1. Параметры динамического моделирования
Редактор шаблона введите Имя шаблона 1 и заполните таблицу согласно табл. 2.1.
Ступенчатый график будет построен автоматически (рис. 2.2). Описание шаблона
не является обязательным. Введенный шаблон можно сохранить для использования
в других проектах (кнопка Сохранить).
Ориентируясь на рис. 2.3 создайте шаблон для коэффициентов неравномерности потребления Население.
Значения базового потребления q0 указаны в табл. 2.2.
Ввод данных осуществляется в следующей последовательности. Откройте окно
редактора свойств узла и в строке Потребители нажмите кнопку . В таблицу
окна Узловые расходы введите соответствующие значения расходов и имена шаблонов (рис. 2.4). В узлах, которые не указаны в табл. 2.2, отборы отсутствуют.
18
Рис. 2.2. Шаблон коэффициентов неравномерности потребления
Предприятия
Рис. 2.3. Шаблон коэффициентов неравномерности потребления Население
Таблица 2.2
Шаблоны и базовые потребления в узлах, л/мин.
Узел
J1
J2
J3
J4
J5
J6
Население
23
23
23
23
350
280
19
Предприятия
15
8
11
15
0
76
Рис. 2.4. Ввод сведений об узловых отборах
После завершения ввода данных сохраните проект и выполните расчет.
2.2. Просмотр результатов расчета
Результаты расчета можно увидеть несколькими способами.
1. Откройте Редактор свойств какого-либо элемента и воспользуйтесь кнопками прокрутки окна Обзор >> Карта. Выбрать конкретный момент можно с
помощью раскрывающегося меню Время (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Пример просмотра результатов расчета для выбранного элемента
2. В окне Обзор >> Карта с помощью раскрывающихся меню Элементы или
Трубопроводы укажите интересующий параметр (например, расход). На экране
появится Легенда, и изменятся цвета элементов в соответствии со значениями выбранного параметра и моментом времени (рис. 2.6). Если Легенда не отображается
на экране, воспользуйтесь пунктом меню Вид >> Легенда. Параметры цветового кодирования можно изменить, выбрав пункт меню Вид >> Легенда >> Изменить.
20
Рис. 2.6. Просмотр результатов расчета с помощью цветового кодирования
3. Создайте таблицу результатов. Для этого выберите интересующий элемент
на схеме и нажмите кнопку Таблица
(пункт меню Отчет >> Таблица). В окне
Свойства таблицы на вкладке Тип укажите тип таблицы и интересующий момент
времени (рис. 2.7). На вкладке Столбцы можно указать параметры, включаемые
в таблицу (рис. 2.8). На вкладке Фильтры при необходимости указывают условия
включения элемента в таблицу. Таблицу можно сохранить для дальнейшего использования, нажав кнопку Копировать
.
4. Результаты расчетов можно представить в графическом виде. Для постро. Для
ения графиков используется пункт меню Отчет>> График или кнопка
построения графиков изменения параметров во времени в окне Выбор графика
Рис. 2.7. Окно Свойства таблицы, вкладка Тип
21
Рис. 2.8. Окно Свойства таблицы, вкладка Столбцы
укажите его тип Динамический. Выберите Параметр. Далее на схеме щелкните
по необходимому элементу (в нашем случае по узлу) и нажмите кнопку Добавить.
Повторите эту операцию для всех интересующих элементов (рис. 2.9). После нажатия кнопки ОК на экран будет выведен соответствующий график (рис. 2.10).
После нажатия правой клавиши мыши проявится окно Настройки графика,
которое позволяет выбрать параметры его отображения. На его вкладке Ряды
данных можно задать свойства каждой кривой (рис. 2.11).
Рис. 2.9. Выбор типа графика и элементов
22
Рис. 2.10. Пример графика изменения давления в узлах
Рис. 2.11. Окно Настройка графика, вкладка Ряды данных
Возможные настройки графика предлагается изучить самостоятельно. График
можно сохранить для дальнейшего использования, нажав кнопку Копировать
.
23
2.3. Задания для самостоятельной работы и содержание отчета
1. Создайте шаблон, имитирующий отбор воды на пожаротушение с 18 до 21
часа. Добавьте этот шаблон к узлу J6 с расходом q0 = 4000 л/мин. Определите диаметры трубопроводов Р8 и Р9, при которых скорость воды в них в течение суток
не превышает 2,5 м/с. Значения диаметров должны быть кратны 10.
2. Постройте график изменения скорости в трубе Р8.
3. Постройте графики изменения давления в узлах J1, J9, J10 в течение расчетного периода. Объясните причины изменения давления.
Отчет по работе представляется в виде pdf файла. Имя файла: «Фамилия студента - № группы - 2».
В отчете необходимо привести:
– шаблон коэффициентов неравномерности потребления в узле J6 при пожаре
(снимок экрана);
– найденные значения диаметров труб Р8 и Р9, график изменения скорости в
трубе Р8 (снимок экрана);
– графики изменения давления в узлах J1, J9, J10 (снимок экрана);
– заключение о причинах изменения давления в данных узлах.
2.4. Контрольные вопросы
1. Как построить график изменения какого-либо параметра в заданном диапазоне изменения координат?
2. Каким образом можно построить график с маркерами?
3. Как сохранить созданный график для дальнейшего использования, например, в текстовом отчете?
24
3. Моделирование процессов изменения качества воды
Целью данной работы является знакомство с возможностями Epanet при моделировании процесса смешения потоков воды, поступающих в сеть из разных
источников. В ходе выполнения работы рассматриваются следующие вопросы:
– использование логических выражений,
– расчет процесса смешения,
– расчет гидравлического возраста воды,
– моделирование распространения метки (следа источника).
Работа выполняется с использованием заранее подготовленного проекта w3.net.
Если после его открытия на экране не отображаются наименования объектов, воспользуйтесь пунктом меню Вид >> Настройки >> Подписи объектов.
После открытия файла w3.net сохраните проект под новым именем. При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя Epanet
[1]. Дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы, изложены
в пособии [2].
3.1. Исходный проект и его корректировка
Схема сети водоснабжения показана на рис. 3.1. В проект уже введены размеры
трубопроводов, высотные отметки узлов, источников и резервуаров, характеристика насоса и два шаблона неравномерности водопотребления.
Вода поступает в сеть из двух источников: из источника R-1 под действием естественного напора, а из источника R-3 она подается насосом PMP-4. Концентрация
растворенных солей в источниках различная. В связи с неравномерностью суточ-
Рис. 3.1. Схема сети
25
ного потребления воды в узлах расходы в трубопроводах постоянно изменяются.
При этом происходит смешение воды из источников, а следовательно изменяется
и концентрация растворенных в ней солей.
Выполните предварительный расчет и постройте динамический график изменения напора в резервуаре-накопителе Т-1 (рис. 3.2). Как видно, через 10 часов
работы он полностью заполняется, и напор уже не меняется до конца расчетного
периода. Обратите внимание, что на графике отображается именно напор, а не
уровень воды в резервуаре.
Рис. 3.2. Изменение напора в резервуаре-накопителе Т-1
Такой режим работы с точки зрения потребления энергии не является рациональным. Возможное решение – остановить насос при достижении некоторого
допустимого уровня в резервуаре с последующим его включением при снижении
уровня до некоторого заданного значения. В Epanet такое моделирование работы
насоса осуществляется с помощью управляющих инструкций (логических выражений).
Откройте редактор свойств резервуара Т-1 (рис. 3.3). Как видно, максимальный
уровень воды в нем составляет 21,3 м. Таким образом, насос можно отключить,
например, при достижении 21 м, а включить при его снижении, например, до 19,5
м.
Логические выражения, моделирующие управление насосом PMP-4, имеют
вид:
LINK PMP-4 CLOSED IF NODE T-1 ABOVE 21
LINK PMP-4 OPEN IF NODE T-1 BELOW 19.5
Для ввода этих выражений выберете в окне Обзор >> Объекты >> Управление
>> Выражение (рис. 3.4).
26
Рис. 3.3. Свойства резервуара Т-1
Рис. 3.4. Редактор выражений
Сохраните проект и выполните расчет. Снова постройте график изменения
напора в резервуаре-накопителе Т-1 и убедитесь, что заданные правила выполняются (рис. 3.5).
3.2. Моделирование процесса смешения
Зададим концентрацию солей в источниках. Для этого откройте редактор
свойств источника R-1 и введите значение 250 (мг/л) в строке Показатель качества
нач. (рис. 3.6). Аналогично введите концентрацию 600 (мг/л) в источнике R-2.
В окне Обзор выберите Объекты >> Настройки >> Качество воды и в строке
Параметр укажите Вещество (рис. 3.7). Тем самым приложеию дается указание
на необходимость расчета изменения концентрации вещества.
27
Рис. 3.5. Изменение напора в резервуаре-накопителе Т-1 при управлении
работой насоса
Рис. 3.6. Свойства источника R-1
Рис. 3.7. Настройка вида расчета
28
После завершения ввода данных сохраните проект и выполните расчет.
3.3. Просмотр результатов расчета
Результаты расчета можно увидеть несколькими способами.
1. Откройте Редактор свойств какого-либо элемента и воспользуйтесь кнопками прокрутки окна Обзор >> Карта. Выбрать конкретный момент можно с
помощью раскрывающегося меню Время. Результат расчета выводится в строке
Показатель качества (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Просмотр результатов расчета для выбранного элемента
2. Для построения графиков изменения параметров во времени в окне Выбор
графика укажите его тип Динамический. Укажите Параметр (Вещество) Далее
добавьте в список интересующие элементы (рис. 3.9).
3. В окне Обзор >> Карта с помощью раскрывающихся меню Элементы
или (и) Трубопроводы укажите интересующий параметр (Вещество). На экране
Рис. 3.9. Пример графиков изменения концентрации вещества в узлах
29
появится Легенда, и изменятся цвета элементов в соответствии со значениями выбранного параметра и моментом времени. Если Легенда не отображается на экране,
воспользуйтесь пунктом меню Вид >> Легенда. Ориентируясь на график (см. рис.
3.9) подберите подходящие параметры цветового кодирования (пункт меню Вид
>> Легенда >> Изменить).
3.4. Расчет гидравлического времени (возраста воды)
Epanet позволяет моделировать изменение возраста воды в системе распределения. Возраст воды – это время нахождения порции воды в сети (гидравлическое
время пребывания – ГВП). Возраст воды представляет собой простую меру оценки
общего качества питьевой воды, поступающей к потребителям.
При моделировании предполагается, что каждая новая порция воды, поступающая в сеть из резервуаров или иных источников, имеет нулевое значение ГВП. По
мере движения воды в системе трубопроводов каждая порция становится «старше».
Если в системе присутствуют резервуары-накопители, то в них вода постепенно
«стареет». Однако при расчете возраста этой воды имеет значение принятая модель
смешения внутри резервуара.
Рассмотрим пример расчета ГВП. Установите нулевые значения Показателя
качества нач. в резервуарах R-1 и R-2. В окне свойств накопителя Т-1 в строке
Модель перемешивания укажите Смесит (смеситель). Это самая простая модель
смешения, когда предполагается, что поступающая вода мгновенно и полностью
перемешивается с водой, уже находящейся в резервуаре. Возраст воды в нем до
начала моделирования считается равным нулю (рис. 3.10). Аналогичные параметры
задайте и для накопителя Т-2.
Рис. 3.10. Свойства накопителя Т-1
В окне Обзор выберите Объекты >> Настройки >> Качество воды в строке
Параметр укажите ГВП. Сохраните проект и выполните расчет. Просмотр его
результатов осуществляется так же, как описано выше. Единственное отличие за30
ключается в выборе отображаемого параметра – ГВП. В качестве примера на рис.
3.11 показаны графики изменения ГВП для резервуаров-накопителей.
3.5. Задание для самостоятельной работы и содержание отчета
Epanet позволяет моделировать процесс распространения метки, т. е. отслеживает процент объема воды, достигающей того или иного элемента системы.
Моделирование движения меток полезно при анализе систем водоснабжения с
несколькими источниками, поскольку позволяет определить, в какой степени происходит процесс смешения воды.
Рис. 3.11. Графики изменения ГВП в резервуарах-накопителях
В качестве примера рассмотрите процесс распространения метки из источника
R-1. Принцип расчета мало отличается от рассмотренного выше. Необходимо задать лишь соответствующий вид расчета (рис. 3-12).
Рис. 3.12. Настройка вида расчета Метка
Постройте графики изменения метки в узлах J1 и J30. Экспортируйте проект
(схему) в текстовый файл и присвойте ему имя Фамилия-3.txt.
31
Отчет по работе представляется в виде pdf файла. Имя файла: «Фамилия студента - № группы - 3».
В отчете необходимо привести:
– порядок моделирования движения меток (проиллюстрировать снимками
экрана);
– графики изменения метки в узлах J1 и J30 и вывод о причинах наблюдаемых
различий.
К отчету необходимо приложить результат экспорта схемы (файл Фамилия3.txt).
3.6. Контрольные вопросы
1. Какие соотношения лежат в основе моделирования процесса смешения воды,
поступающей в сеть из различных источников?
2. Какие модели смешения воды в резервуарах реализованы в Epanet?
3. Какова структура управляющей инструкции типа выражение?
32
4. Анализ потребления энергии
Целью данной работы является знакомство с принципами анализа потребления
энергии насосными агрегатами при различных способах управления ими.
Работа выполняется с использованием заранее подготовленного проекта
w4.net.
После открытия файла w4.net сохраните проект под новым именем. Если на
экране не отображаются наименования объектов воспользуйтесь пунктом меню
Вид >> Настройки >> Подписи объектов.
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя
Epanet [1]. Дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы,
изложены в пособии [2].
4.1. Исходный проект и его корректировка
Схема сети водоснабжения показана на рис. 4.1. Вода подается в сеть из
источника R-1 с помощью 2-х одинаковых насосов РМР-4 и РМР-5. В проект
уже введены размеры трубопроводов, высотные отметки узлов, источников и
водонапорной башни (накопитель Т-1), характеристики насосов: расход – напор,
расход – КПД.
Задайте параметры расчета показанные на рис. 4.2, 4.3 (окно Обзор >>
Настройки).
Рис. 4.1. Схема сети
33
Самостоятельно создайте шаблон неравномерности водопотребления для узлов
J1 – J9 в соответствии с рис. 4.4 и назначьте его этим узлам.
Рис. 4.2. Окно Гидравлика. Свойства
Рис. 4.3. Окно Время. Свойства
Рис. 4.4. Шаблон неравномерности водопотребления
Сохраните проект и выполните расчет. Предлагаем убедиться, что уровень
воды в водонапорной башне быстро достигает максимального значения и остается
неизменным до конца расчетного периода.
Отключите один насос (в окне свойств насоса Начальное состояние – Закр.)
и снова выполните расчет. После его завершения появится сообщение о наличии
предупреждений типа Отрицательное давление в момент времени... .
Наличие предупреждений не является препятствием для выполнения расчета. В
данном случае это означает, что насос и водонапорная башня не могут обеспечить
34
требуемый объем потребления в каких-то узлах системы. Таким образом, возникает
необходимость управления насосами в зависимости от него.
4.2. Управление по уровню в водонапорной башне
Рассмотрим автоматическое управление насосами в зависимости от уровня воды
в регулирующем резервуаре (водонапорной башне) Т-1. Его свойства показаны на
рис. 4.5.
Рис. 4.5. Свойства резервуара-накопителя (водонапорной башни)
При указанных значениях максимального и минимального уровня воды можно
рассмотреть, например, следующие условия включения и выключения насосов:
– насос РМР-4 включен, если уровень воды меньше 5 м;
– насос РМР-4 выключен, если уровень воды больше 7 м;
– насос РМР-5 включен, если уровень воды меньше 3 м;
– насос РМР-5 выключен, если уровень воды больше 6 м.
Для реализации того или иного поведения элементов схемы в процессе
моделирования используются управляющие инструкции 2-х видов: выражения и
правила.
Выражения позволяют изменять состояние (открыто / закрыто – OPEN /
CLOSED) или какой-либо параметр участка (LINK) сети (насоса, задвижки,
трубопровода) в зависимости от давления в узлах (NODE) или времени.
Необходимо заметить, что в Epanet узлами считаются не только точки
разветвления трубопроводов, но и резервуары-накопители. В качестве единиц
измерения давления используются м вод. ст. Таким образом, уровни воды в
приведенных выше условиях можно рассматривать как давления узле T-1.
Правила применяются для управления участками сети в зависимости от
совокупности условий и записываются в виде:
IF <condition> THEN <operation_1> ELSE <operation_2>
т. е. ЕСЛИ <условие> ТО <действие_1> ИНАЧЕ <действие_2>
35
В данном случае будут использоваться выражения. Использование правил
рассматривается в следующей части работы.
В окне Обзор откройте Объекты >> Управление >> Выражение и введите
инструкции, реализующие управление насосами (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Выражения, реализующие управление насосами
Сохраните проект и выполните расчет.
Проверку правильности выполнения условий управления насосами можно
выполнить несколькими способами. На рис. 4.7 приведены графики изменения
давления (уровня) воды в водонапорной башне и расходов в трубопроводах Р-20 и
Р-22, т. е. на выходе из насосов. Их сравнение показывает, что управление насосами
осуществляется в соответствии с рассмотренной схемой.
Рис. 4.7. Изменение давления (уровня) воды в водонапорной башне Т-1 и
расходов на выходе из насосов
36
Оценим стоимость электроэнергии, затрачиваемой на транспортировку
воды, в условных единицах. В окне Обзор откройте Объекты >> Настройки >>
Энергопотребление и задайте параметры, показанные на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Настройки расчета Энергопотребление
Сохраните проект и выполните расчет. Для просмотра его результата откройте
пункт меню Отчет >> Энергопотребление (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Отчет Энергопотребление
Как видно, при рассмотренном способе регулирования суточные затраты
составляют приблизительно 16737 у. е.
4.3. Оценка энергоэффективности системы при отсутствии водонапорной
башни
Сначала внесите изменения в проект:
– удалите накопитель Т-1 и узел J-10,
– откройте редактор выражений и удалите все инструкции,
– сохраните проект с новым именем (меню Файл >> Сохранить как).
На данном этапе анализа будет рассмотрена работа системы без управления
насосами при постоянной скорости вращения.
После выполнения расчета откройте отчет об энергопотреблении. Убедитесь,
что общие затраты в данном случае существенно возрастают (около 19700 у. е.).
Таким образом, целесообразно использовать управляемые насосы.
37
Пусть один из насосов (например, РМР-5) будет включен постоянно, а другой
(РМР-4) должен включаться или отключаться в зависимости от общего объема
водопотребления (SYSTEM DEMAND). Общее водопотребление при отсутствии
утечек равен расходу на входе в насосную станцию, т. е. в трубе Р-18.
Данную схему управления реализуем с использованием правила (RULE).
Допустим, что насос РМР-4 должен быть включен при объеме водопотребления,
превышающим Q = 700 л/с, а противном случает он должен быть отключен.
Для ввода данного правила в окне Обзор откройте Объекты >> Управление >>
Правило и введите инструкции, реализующие управление насосам (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Правило управления насосом РМР-4
Сохраните проект и выполните расчет. Предлагаем убедиться, что затраты в
этом случае снижаются.
4.4. Самостоятельная работа и содержание отчета
1. Выполните несколько расчетов энергоэффективности при различных
значениях объема водопотребления, при котором должен включаться насос РМР4. При каком объеме водопотребления затраты будут минимальными?
2. Создайте два правила управления:
– если уровень в резервуаре Т-1 больше 20 м, то частотный коэффициент
насоса 0,85;
– если уровень в резервуаре Т-1 меньше 18 м, то частотный коэффициент
насоса 0,95.
Экспортируйте проект (схему) в текстовый файл и присвойте ему имя
Фамилия-4.txt.
Отчет по работе представляется в виде файла pdf. Имя файла: «Фамилия
студента - № группы - 4».
В отчете необходимо привести таблицу результатов расчетов (см. п. 1)
содержащую объемы водопотребления, при которых должен включаться насос
РМР-4 и соответствующее энергопотребление.
38
К отчету необходимо приложить результат экспорта проекта (файл Фамилия4.txt ).
4.5. Контрольные вопросы
1. Какова структура управляющей инструкции типа правило?
2. Переведите на русский язык правила из примеров 1 и 2, приведенных на с.
34 Руководства пользователя [1].
39
5. Гидравлическая калибровка модели сети водоснабжения
Целью данной работы является знакомство с принципами использования
экспериментальных данных, используемых при калибровке модели сети
водоснабжения.
Работа выполняется с использованием заранее подготовленного проекта w5.net
и файла данных Calibr.dat.
После открытия файла w4.net сохраните проект под новым именем. Если на
экране не отображаются наименования объектов воспользуйтесь пунктом меню
Вид >> Настройки >> Подписи объектов.
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя
Epanet [1]. Дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы,
изложены в пособии [2].
5.1. Исходный проект
Схема сети водоснабжения показана на рис. 5.1. Вода подается в сеть из
источника R-1 с помощью насоса PUMP. В системе имеются два резервуаранакопителя Т-1 и Т-2.
До начала работы убедитесь, настройки проекта соответствуют указанным на
рис. 5.2, 5.3.
В системе водоснабжения используются два вида труб – старые с коэффициентом
шероховатости Хазена – Вильямса С = 130 и новые, у которых С = 90.
Рис. 5.1. Схема сети
40
При обследовании работы сети проведены измерения напоров в нескольких
узловых точках при установившемся режиме (табл. 5.1) при подаче насоса 43 л/с.
Эти данные представлены в виде файла Calibr.dat.
Рис. 5.2. Окно Гидравлика.Свойства
Рис. 5.3. Окно Гидравлика.Время
Таблица 5.1
Экспериментальные значения напоров в узлах
Узел
J-1
J-2
J-4
J-6
J-12
J-13
J-23
J-32
Гидростатический
напор, м
50,6
47,9
48,8
48,8
49,4
49,1
48,8
48,8
41
5.2. Выполнение калибровки
До начала расчета файл исходных данных необходимо подключить к проекту
с помощью пункта меню Проект >> Измерения и кнопки Открыть (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Окно для подключения файлов с результатами измерений
Необходимо заметить, что в данной таблице две строки имеют одинаковое
название Расход. Это обусловлено погрешностью локализации Epanet. Под расходом
в первой строке подразумеваются узловые отборы, а в предпоследней строке
– расходы в трубах.
Сохраните проект и выполните расчет. Для сравнения его результатов с
опытными данными воспользуйтесь пунктом меню Отчет >> Калибровка >>
Настройка калибровки. В отчете о калибровке данные представлены в виде
таблицы и графиков (рис. 5.5)*. Расчетный напор на выходе из насоса составляет
43 л/с.
Рис. 5.5. Отчет о калибровке (статистика)
* Кодировка символов кириллицы может отличаться от показанной на рис. 5.5
42
Показателями качества калибровки являются среднеквадратичное отклонение
(0,542 м) и коэффициент корреляции (0,812). В данном случае коэффициент
корреляции довольно высок, т. е. между опытными и расчетными значениями напора
с высокой вероятностью существует линейная зависимость. В то же время график
на рис. 5.6 показывает, что расчетные напоры в большинстве узлов превышают
опытные (фактические) значения.
Рис. 5.6. График корреляции между опытными и расчетными значениями
напоров
Одной из наиболее вероятных причин расхождения опытных и расчетных
значений может быть неверное определение узловых отборов. Действительно, в
нашем случае время проведения измерений на самом деле не известно. Если открыть
шаблоны неравномерности водопотребления, включенные в проект, то можно
обратить внимание, что максимальные значения коэффициентов приходятся на
период 2 – 5 часов.
Проверим данную гипотезу. Внесите изменения в файл исходных данных
Calibr.dat, указав время измерений, например, 3:00. Задайте продолжительность
моделирования 8 часов. Сохраните проект под новым именем и выполните
расчет. Убедитесь, что согласно отчету о калибровке среднеквадратичное
отклонение уменьшилось до 0,381 м, а коэффициент корреляции составляет
0,964. Расчетная подача насоса 43,3 л/с. Некоторое превышение этого значения
над экспериментальным значение может быть связано с наличием утечек воды в
сети, которые существуют всегда, но в данном проекте не учитывались.
Таким образом, можно считать, что рассмотренная модель в значительной
степени адекватна реальной сети.
5.3. Самостоятельная работа и содержание отчета
С целью дополнительной проверки качества рассмотренной модели и оценки
величины утечек проведены дополнительные эксперименты: в 2, 3 и 4 часа
43
измерялись расходы воды в трубах Р-72, Р-15 и Р-37. Результаты показаны в табл.
5.2.
Таблица 5.2
Экспериментальные значения расходов в трубах
Труба
Р-72
Р-15
Р-37
Время
2
3
4
2
3
4
2
3
4
Расход, л/с
44.0
43,5
43,5
3,0
3,5
1,0
3,0
4,1
1,0
Примечание
от Т-1
от Т-1
в Т-1
от Т-2
от Т-2
от Т-2
Создайте текстовый файл экспериментальных данных, принимая во внимание
направления движения воды. Подключите его к проекту. Выполните несколько
расчетов при различных объемах утечек в узлах.
Объем утечек задается путем одновременного увеличения базовых значений
отборов в окне настройки с помощью множителя (окно Гидравлика. Свойства
задайте Множитель по умолчанию). Постепенно увеличивая множитель, начиная с
1,05, с шагом 0,01 определите его значение, при котором достигается максимальная
адекватность модели.
После завершения расчетов экспортируйте схему проекта в текстовый txtфайл.
В качестве отчете необходимо привести:
– результат экспорта схемы проекта после калибровки (txt-файл «Фамилия
студента - № группы - № 5»;
– файл, содержащий экспериментальные данные согласно табл. 5.2,
использованный при калибровке (txt-файл);
– снимки экранов отчета о калибловки, вывод об объеме утечек (pdf-файл).
5.4. Контрольные вопросы
1. Каковы возможные причины неадекватности модели сети?
2. Как в течение времени эксплуатации сети изменяется расходно-напорная
характеристика сети? Каким образом следует при этом откорректировать
модель?
3. Каковы причины «утечек» воды в сети? Как они учитываются при построении
модели?
44
6. Моделирование процессов истечения жидкости
6.1. Предварительные замечания
Целью данной работы является знакомство с возможностями Epanet при
моделировании процессов истечения воды в атмосферу через отверстия, форсунки
спринклеры и т. п.
Из курса общей гидравлики известно, что расход жидкости, истекающей через
подобные устройства под действием напора Н в общем случае определяется по
формуле:
где µ – коэффициент расхода, ω – площадь поперечного (живого) сечения, g –
ускорение свободного падения .
Обычно показатель степени n = 0,5. Тем не менее, в Epanet предусмотрена
возможность выполнения расчетов и при иных значениях этого коэффициента,
которая указывается в строке Показатель степени насадки окна Гидравлика.
Свойства (рис 6.1).
Формулу для расчета расхода можно представить в виде:
в Epanet именно коэффициент k называется коэффициентом расхода насадки.
Необходимо принять во внимание, что единицами измерения расхода в этом случае
являются литры в секунду (ЛС). Данный коэффициент является свойством узла
(рис. 6.2).
Рис. 6.1. Окно Гидравлика. Свойства
Рис. 6.2. Окно свойств узла
Рекомендуется убедиться в справедливости приведенной формулы на примере
указанных значений.
45
В работе для расчета потерь напора по длине трубопроводв используется
формула Хазена – Вильямса. В ней шероховатость трубопроводов характеризует
коэффициент, зависящий от материала трубопровода и времени его эксплуатации.
Его значение для стальных труб в данной работе принимается равным 130. Укажите
это значение в качестве шероховатости трубопровода, принимаемой по умолчанию
(меню Проект – По умолчанию – Свойства объектов).
6.2. Задание для самостоятельной работы и содержание отчета
На рис. 6.3 показана схема спринклерной системы пожаротушения. Необходимо
подобрать диаметры трубопроводов и напор воды в т. С, при которых расход
через каждый спринклер будет составлять 1,3 ± 0,4 л/с. Погрешность оценивать
по величине среднеквадратичного отклонения, указанному в отчете о калибровке
(см. ниже).
Рис. 6.3. Схема системы пожаротушения
В точке С разместите резервуар. Длина трубы СА составляет 1,5 м, ее диаметр
40 мм. Общий напор в резурвуаре задайте в диапазоне 30 – 60 м. Диаметры остальных
труб необходимо выбирать выбирать из ряда: 40, 32, 25, 20 мм. Сначала подберите
диметры труб, при которых распределение расходов воды по спринклерам будет
по возможности равномерным. Требуемые расходы через спринклеры определите
путем изменения напора в резервуаре.
Для ускорения расчетов и определения среднеквадратичного отклонения
создайте текстовый файл для калибровки сети, содержащий требуемые значения
узловых отборов (см. п. 5).
После окончания расчетов экспортируйте схему в текстовый файл Фамилия6.txt.
Отчет по работе представляется в виде pdf файла. Имя файла: «Фамилия
46
студента - № группы - № 6».
В отчете необходимо привести снимок экрана отчета о калибровке (рис. 6.4),
найденное значение среднеквадратичного отклонения и таблицу с найденными
диаметрами трубопроводов.
Рис. 6.4. Результаты расчетов
К отчету приложить схему сети в виде указанного выше файла Фамилия6.txt.
6.3. Контрольные вопросы
1. Каковы общие закономерности процесса истечения жидкости через отверстия
и насадки?
2. Что характеризуют коэффициенты сжатия, скорости и расхода?
3. Почему внутри насадка возникает вакуум? Что называется предельным
напором при истечении через насадок?
47
7. Расчет узловых отборов
Количество воды, потребляемое абонентами сети (населением, предприятиями
и т. д.), является наиболее важным параметром ее модели. От качества (точности)
его определения во многом зависит и качество всей модели сети водоснабжения.
Каждый потребитель получает воду из индивидуального тупикового трубопровода относительно небольшого диаметра. Такие трубопроводы обычно исключаются из схемы сети при построении ее модели. Таким образом, связь между
схемой и потребителями разрывается и возникает проблема определения узловых
отборов, необходимых для расчета. Применяют несколько методов ее решения.
Выбор конкретного метода зависит, в том числе, и от того, имеются ли данные о
водопотреблении абонентов или же расчет проводится по нормативам.
В данной работе рассматриваются методы расчета узловых отборов при наличии данных о водопотреблении абонентов:
– равномерное распределение,
– метод ближайшей трубы,
– метод ближайшего узла,
– метод совокупного отбора.
Многие современные приложения для моделирования работы систем водоснабжения реализуют некоторые функции геоинформационных систем, которые
позволяют определять узловые отборы по указанным методикам автоматически.
Epanet такими функциями не обладает, поэтому в рамках данной работы расчеты
целесообразно выполнять с помощью любого приложения для работы с электронными таблицами (Excel, OpenOffice Calc и т. п.).
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя Epanet [1]. Дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы,
изложены в пособии [2].
7.1. Выполнение работы
Исходные данные и предварительные операции
Исходные данные для выполнения работы представлены в виде текстовых inpфайлов (выбираетс согласно номеру в списке группы), которые содержат схему
сети и сведения о потреблении воды (л/с) в точках N-1... N-20 (zip-архив). После
распаковки архива выбранную схему (inp-файл) рекомендуется импортировать в
Epanet.
В дальнейшем будут использоваться два раздела текстового inp-файла –
DEMANDS (потребление воды) и COORDINATES (координаты узлов сети J-21...
J-26 и потребителей N-1... N-20). Для удобства работы рекомедуется создать (с
помощью приложения Блокнот или т. п.) два текстовых файла, содержащие данные из указанных раэделов.
48
Равномерное распределение
Это наиболее простой способ расчета узловых отборов. Все узловые отборы
в этом случае одинаковые и определяются путем деления общего объема потребляемой воды Q, подаваемой в сеть, на число узлов сети n (рис. 7.1).
Для удобства импортируйте текстовый файл DEMANDS в электронную таблицу и выполните расчеты.
Рис. 7.1. Равномерное распределение
Результаты расчета:
общий объем потребляемой воды Q = ... л/сутки,
количество узлов сети n = ...,
узловой отбор q = ... л/сутки.
Метод ближайшей трубы
При таком подходе каждый абонент (потребитель) ставится в соответствие
ближайшему трубопроводу сети (рис. 7.2). Далее объем его водопотребления делят
между узлами соответствующего трубопровода тем или иным способом.
В данной работе общий объем потребления всех абонентов, поставленных в
соответствие конкретному трубопроводу, нужно разделить пополам между его
узлами. Узловой отбор определяется как сумма объемов потребления, отнесенных
к данному узлу, со всех труб, сходящихся в нем.
Поскольку в предлагаемых схемах количество элементов невелико, поставить
потребителей в соответствие трубопроводам проще всего визуально.
Для удобства расчетов импортируйте inp-файл в электронную таблицу.
Результаты расчета представить в виде таблицы (табл. 7.1) и перечня узлов
сети с рассчитанными отборами (л/сутки):
49
Рис. 7.2. Метод ближайшей трубы
Таблица 7.1
Метод ближайшей трубы
Трубопровод
Начальный Конечный
узел
узел
J-21
J-22
J-22
J-23
J-23
J-24
J-24
J-25
J-25
J-26
J-26
J-21
J-23
J-26
J-21, q = ...,
J-22, q = ...,
J-23, q = ...,
Перечень
потребителей
Суммарное
потребление,
л/сутки
J-24, q = ...,
J-25, q = ...,
J-26, q = ...
Метод ближайшего узла
По данной методике каждый абонентский счетчик ставят в соответствие («привязывают») ближайшему узлу сети (рис. 7.3). Расчетный отбор в узле определяется
как сумма показаний абонентских счетчиков.
Импортируйте текстовый файл COORDINATES в электронную таблицу.
Рассчитайте расстояния между узлами J-21... J-26 и потребителей N-1... N-20.
При известных координатах точек A(xa, ya) и B(xb, yb) расстояние L между ними
рассчитывается по формуле:
Результаты расчета представить в виде табл. 7.2 и 7.3.
50
Рис. 7.3. Метод ближайшего узла
Таблица 7.2
Расстояния между узлами и потребителями
Узел
J-21
Потребитель
N-1
N-2
...
N-1
N-2
...
...
J-22
...
Расстояние, м
Таблица 7.3
Узловые отборы
Узел
Перечень
потребителей
Суммарное
потребление,
л/сутки
J-21
J-22
J-23
J-24
J-25
J-26
Метод совокупного отбора
Суть метода заключается в том, что каждому узлу сети, назначается так называемая зона обслуживания (рис. 7.4). При этом каждый абонент может находиться
в границах лишь какой-то одной зоны. Расчетный отбор в узле определяется как
51
Рис. 7.4. Метод совокупного отбора
сумма показаний всех абонентских счетчиков его зоны обслуживания.
Зона обслуживания каждого узла задается на основе опыта эксплуатации сети
вручную или путем специальных расчетов. В данной работе зоны обслуживания
узлов определяются путем построения многоугольников Тиссена. В центре каждого такого многоугольника, находится один узел (за исключением тех, которые
находятся на границах плана). Стороны многоугольника перпендикулярны линиям,
которые соединяют данный узел с соседними узлами и делят эти линии пополам.
Порядок построения рассмотрим на примере. Пусть на плане зоны водоснабжения, построенном в масштабе, имеется несколько узловых точек сети (рис. 7.5).
Требуется разделить (разрезать) план зоны на отдельные части по числу узлов.
Конфигурация каждой части должна быть такой, чтобы расстояние от любой ее
точки до соответствующего ей узла было не более, чем до любого другого узла.
Сначала соединим каждый узел с соседними узлами прямыми линиями (рис.
Рис. 7.5. План зоны водоснабжения
52
7.6а). Обратим внимание, что конфигурация трубопроводов, соединяющих узлы,
не имеет значения, поэтому они не изображены. Далее построим перпендикуляры,
проходящие через центры прямых (рис. 7.6б). Эти перпендикуляры совместно с
границами зоны как раз и образуют многоугольники Тиссена (рис. 7.7).
В рамках данной работы способ построения многоугольников Тиссена не регламентируется. В простейшем случае можно сделать снимок экрана со схемой сети
а
б
Рис. 7.6. Построение многоугольников Тиссена
Рис. 7.7. Результат построения
в Epanet, распечатать его и выполнить все построения с помощью линейки и циркуля. Границы зоны водоснабжения (см. рис. 7.5) задайте произвольно. Результат
построений нужно сфотографировать и приложить к отчету.
Если имеется возможность использовать какое-либо приложение для работы
с векторной графикой (AutoCAD, nanoCAD и т. п.), то сначала необходимо экспортировать схему сети в файл типа dxf (меню Файл >> Экспорт >> Карта).
Далее выполнить все построения с помощью данного приложения и экспортировать
результат в файл (растровый рисунок или pdf).
Результат расчета представить в виде табл. 7.4.
53
Таблица 7.4
Узловые отборы в зонах обслуживания
Узел
Перечень
потребителей
Суммарное
потребление,
л/сутки
J-21
J-22
J-23
J-24
J-25
J-26
7.2. Содержание отчета
Отчет по работе представляется в виде pdf-файла. Имя файла «Фамилия студента - № группы - 7».
Отчет с указанием номера варианта (N-1... N-20) должен включать заполненные таблицы 7.1 – 7.4, сводную таблицу результатов расчетов табл. 7.5 и рисунок
с многоугольниками Тиссена с обязательным указанием обозначений узлов и потребителей.
Таблица 7.5
Сводная таблица результатов расчета
Узел
Суммарное потребление, л/сутки
Равномерное
Ближайшая Ближайший Совокупный
распределение
труба
узел
отбор
J-21
J-22
J-23
J-24
J-25
J-26
Общее
потребление
Примечание. В строке Общее потребление для контроля правильности вычислений укажите суммы расходов в соответствующих колонках, которые должны
быть одинаковыми
7.3. Контрольные вопросы
1. Какие методы определения узловых отборов используются при моделировании работы сетей водоснабжения?
2. В каких случаях используется метод совокупного отбора? Что представляет
54
собой зона обслуживания узла?
3. Как осуществляется построение многоугольников Тиссена?
55
8. Проектирование сети водоснабжения
8.1. Постановка задачи
Цель работы: спроектировать сеть водоснабжения для нового городского
района*.
Необходимо определить диаметры трубопроводов и параметры насоса,
обеспечивающих требуемую подачу воды ко всем потребителям. Скорость воды
в трубопроводах не должна превышать 1,5 м/с при давлениях в узлах не более 50
м вод. ст.
Исходными данными для проектирования являются:
– схема сети,
– высотные отметки узлов (потребителей) сети,
– длины соединяющих их трубопроводов,
– виды потребителей и точки (узлы) их расположения,
– графики суточной неравномерности водопотребления для потребителей
различного вида,
– уровень воды в источнике (резервуаре чистой воды – РЧВ).
Исходные данные выбираются согласно варианту (табл. 8.1 – 8.3) по номеру
в журнале группы или по последней цифре личного номера.
Шаблоны неравномерности водопотребления различных видов представлены
в виде файлов в архиве pat.zip.
При выполнении работы рекомендуется использовать руководство пользователя
Epanet [1]. Дополнительные сведения, необходимые для выполнения работы,
изложены в пособии [2].
8.2. Настройка проекта
До начала работы задайте значения параметров сети, принимаемые по
умолчанию (меню Проект >> По умолчанию):
– единицы расхода ЛС или ЛМ,
– формула потери напора Х-В (метод Хазена – Вильямса),
– диаметр трубопровода 150 мм,
– шероховатость трубопровода 110 (коэффициент Хазена – Вильямса для
стальных труб).
Остальные параметры установите по своему усмотрению.
Задайте продолжительность моделирования 24 часа, шаг расчета гидравлики
1 час (окно Обзор, Настройки >> Время).
Загрузите используемые в проекте шаблоны неравномерности водопотребления
(согласно варианту табл. П3). С этой целью в окне Обзор, выберите Шаблон и
* Использовано методическое руководство для выполнения курсового проектирования,
разработанного на кафедре водного хозяйства и технологии воды УрФУ (авторы: Ю. В. Аникин,
Л. И. Ушакова, А. Ф. Никифоров) в 2004 г.
56
нажмите кнопку Добавить, а в окне Редактор шаблона – кнопку Загрузить.
8.3. Построение схемы сети
Схема сети показана на рис. 8.1. Постройте ее на экране, обращая внимание
на номера узлов, которые должны соответствовать указанным. На первом этапе
работы – подбор диаметров труб – вместо насоса между источником и узлом J15 нарисуйте трубопровод с заведомо низким гидравлическим сопротивлением
(например, с диаметром 600 мм, длиной 10 м).
Рис. 8.1. Схема сети
Высотные отметки узлов указаны в табл. 8.1. В узлах 1 – 13 задайте узловые
отборы (с учетом размерности) и соответствующие шаблоны согласно табл. 8.3.
Если в ней указано равномерное распределение, то заданную величину узлового
расхода необходимо разделить на 13 (в узле J-15 отбор отсутствует) и вести это
значение в каждом узле, указав соответствующий шаблон. При фиксированном
потреблении шаблон не указывается.
Введите длины трубопроводов согласно табл. 8.2. Трубопровод между узлами
J-15 и 1 имеет длину 200 м и диаметр 600 мм.
57
8.4. Порядок выполнения расчетов
Найдите узел с максимальной высотной отметкой и задайте уровень воды в
источнике (РЧВ) на 2 – 5 м больше этого значения. Выполните гидравлический
расчет. Если ошибок при построении схемы нет, расчет будет выполнен с
предупреждениями об отрицательных давлениях в узлах, которые следует
игнорировать.
Постройте график изменения расхода на выходе из источника. Его вид должен
приблизительно соответствовать рис. 8.2. По этому графику определите час
наибольшего водопотребления Т и его величину Qн.
Рис. 8.2. Характер изменения расхода воды от источника
При подборе диаметров трубопроводов необходимо отдавать предпочтения
трубам с наименьшими их значениями (поскольку они дешевле), однако скорость
течения воды в них не должна превышать 1,5 м/c*. На практике значения диаметров
выбираются исходя из конкретных условий. В данной работе их следует выбирать
из ряда: 150, 200, 250 и т. д. с шагом 50 мм.
Epanet не имеет средств для автоматизации процедуры подбора диаметров,
поэтому их приходится определять подбором. Для ускорения этой работы
рекомендуется использовать возможности калибровки параметров сети.
Создайте текстовый файл типа dat с тремя колонками данных: обозначение
трубопровода, время, скорость.
Файл проще всего создать с помощью программы ОС Windows Блокнот на
основе текстового inp-файла, полученного в результате экспорта схемы (меню Файл
>> Экспорт >> Схема). Это позволит избежать ошибок при указании обозначений
трубопроводов, которые Epanet обычно присваивает автоматически. В качестве
времени для всех труб указывается ранее найденное время Т, а скорость 1,5 м/c.
При подборе диаметров рекомендуется использовать окно поиска. Окно отчета
о калибровке можно при этом не закрывать (рис. 8.3).
После определения диаметров необходимо выполнить несколько расчетов
при различных значениях напора в источнике. Их цель – определить минимальное
* Это ограничение распространяется лишь на данную работу.
58
Рис. 8.3. Отчет о калибровке
значение этого напора Нmin, при котором предупреждения Epanet об отрицательных
давлениях в узлах не появляются.
Напор, который должен создать насос Нн, представляет собой разность
найденного напора Нmin и заданного напора в источнике. Параметрами рабочей
точки насоса ориентировочно считаем Нmin и Qн.
Внесите исправления в схему:
– удалите трубопровод от источника до узла J-15 и установите вместо него
насос,
– введите заданное по условию значение уровня воды в источнике.
Создайте новую кривую типа Насос и введите Нmin и Qн для построения
характеристики. В окне свойств насоса укажите эту кривую в качестве кривой
производительности.
Выполните расчет и убедитесь, что давления во всех узлах положительные
в течение всего периода моделирования. При необходимости откорректируйте
характеристику насоса.
Постройте графики изменения давления в нескольких узлах (2–3) с наименьшими
значениями высот. В часы наименьшего водопотребления давления в них, скорее
всего, будут превышать 50 м (рис. 8.4).
59
Рис. 8.4. Изменение давлений в узлах
Уменьшить давления можно путем установки редукционного клапана (элемент
Задвижка типа ОДВ) за насосом (рис. 8.5).
Рис. 8.5. Редукционный клапан
Подберите значение его Параметра, при котором давления в узлах сети не
будут превышать 50 м в течение суток.
8.5. Отчет о работе
Отчет о работе представляется в формате pdf и должен включать:
– фамилию и № группы студента, личный номер, № варианта;
– исходные данные в соответствии с индивидуальным заданием;
– схему сети, с указанными на ней диаметрами труб, полученными в ходе
расчета;
60
– расчетную характеристику насоса;
– таблицу рассчитанных напоров (минимальный и максимальный) во всех
узлах;
– график изменения подачи насоса в течение суток;
– графики изменения давления течение суток в узлах с минимальными
значениями высот (2-3) до и после установки редукционного клапана.
Отчет составляется в произвольной форме и должен содержать комментарии,
позволяющие понять ход рассуждений автора. Все графики и рисунки представляются
в виде снимков соответствующих экранов и должны иметь соответствующие
подписи.
К заданию необходимо приложить текстовый файл проекта, полученный в
результате экспорта схемы с именем Фамилия_№ группы_8.txt.
61
62
Высотные отметки узлов
8.6. Варианты исходных данных
Таблица 8.1
63
Примечание. РЧВ – резервуар чистой воды –источник водоснабжения
Окончание таблицы 8.1
64
Длины труб
Таблица 8.2
65
Окончание таблицы 8.2
66
Узловые отборы
Таблица 8,3
67
Продолжение таблицы 8.3
68
Примечание. ГЦ – горячий цех, ХЦ –холодный цех
Окончание таблицы 8.3
Библиографический список
1. EPANET 2 – русская версия. Расчет и моделирование напорных
водораспределительных сетей. Руководство пользователя.
2. Некрасов А. В. Компьютерное моделирование гидродинамических процессов
систем водоснабжения: учеб. пособие / А. В. Некрасов. – Екатеринбург: Изд-во
Урал. ун-та, 2014. – 312 с.
3. Некрасов А. В. Механика жидкости и газа для архитекторов и строителей:
учеб. пособие / А. В. Некрасов. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2020.
–191 с.
69
Текстовый электронный образовательный ресурс
Некрасов Александр Васильевич
Принципы использования программного обеспечения Epanet
при расчетах систем водоснабжения
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Компьютерная верстка А. В. Некрасова
Рекомендовано Методическим советом УрФУ
Протокол №__ от ___________2024
Электронный формат – pdf
https://study.urfu.ru
