ГидроМодель - Основные положения

Концептуальные основы построения программы

МОДЕЛИРОВАНИЕ – это исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов…

Толковый словарь

Сначала хотелось бы поделиться своими взглядами на то, какой должна быть система для моделирования гидравлической сети водоснабжения или канализования. Очень часто можно услышать мнение о том, что такая система обязательно должна быть надстройкой над некой геоинформационной системой. Казалось бы, да, всё очень логично и красиво. Мы "убиваем сразу двух зайцев" - имеем привязку к топографии, легко решаем проблемы по аварийным работам на местности, в то же время стоит только ткнуть пальцем (простите, мышкой) в электронную карту и сразу видно что куда течет и где какое давление. Но, к сожалению, на пути к этой идиллии нас подстерегает множество проблем. Первая проблема - это необходимость иметь адекватную векторную электронную карту города (посёлка). Но где её взять (имеется ввиду информационное наполнение, а не компьютерная программа) никто толком не знает! Конечно, стоит только заикнуться об этом и Вам немедленно будут предложены варианты замечательных программных продуктов и возможно, вполне реальные, планы по заполнению информацией этих систем, но это всё деньги и время, деньги и время! Но предположим, ГИС у Вас есть. Надстраиваем над ней топологическую схему Вашей сети, что само по себе не просто и что же видим? Оказывается, работать с такой схемой то же не просто. Дело в том, что ГИС хорошо подходит для решения именно пространственных задач, например, как проехать к месту аварии кратчайшим путём, где надо копать и т.д., и для этого класса задач это очень хорошие системы. Но дело в том, что задача моделирования гидравлических сетей и сооружений не является пространственной – это инженерная задача! Нам совершенно безразлично проходит водовод левее или правее того развесистого дерева, но нам важно знать какого он диаметра и длины, а также геодезические высоты его концов. Более того, нам удобнее работать не с пропорциональной (масштабной) геодезической схемой, каковой любая ГИС и является, а с принципиальной или функциональной схемой, причём её конфигурацию нам хочется сделать удобной для обозрения и осмысления, а не такой, как она располагается на местности.

Изложенные соображения и послужили основой для написания данной программы. Эта программа предназначена, прежде всего, для решения инженерных задач, т.е. для создания электронной технологической схемы сетей и сооружений.

Моделирование работы гидравлической или какой-либо иной (газовой, электрической, транспортной, финансовой и т.п.) сети сводится к вычислению потокораспределения на основе закона Кирхгоффа (закон сохранения количества вещества для узла). Рассмотрим простую сеть.

Любая сеть структурно состоит из узлов и соединений между ними.

Узел характеризуется потенциалом, в случае гидравлической сети - это полное давление (напор плюс геодезическая высота), а через соединение течёт поток, который есть функция от разности потенциалов на концах соединения, для гидравлической сети - это разность полных давлений на концах соединения, например, для приведённой схемы

Для увязки всех потоков, в общем виде, необходимо решить систему из N уравнений, где N – количество узлов. Причем уравнения в системе могут иметь разный порядок и “неудобные” значения порядка. Например, СНИП рекомендует для расчета напорных водоводов использовать показатель степени 1,8 - 2,0. Способов решения таких уравнений не существует в общем виде, поэтому используются различные итерационные методы. Однако, сходимость итераций при использовании известных методов получается не очень хорошей, особенно при наличии в системе коротких водоводов, состыкованных с длинными, т.е. соседство элементов с сильно отличающимися характеристиками.

В данной программе используется итерационный метод последовательных приближений со сложным адаптационным алгоритмом, разработанный автором. Этот метод даёт хорошую сходимость, поэтому удаётся строить модель сети или сооружения с максимальным приближением к физическим реалиям и не идти на упрощения и компромиссы. Другими словами, программа позволяет строить имитационную модель оптимальной сложности и качества с любой топологией (кольцевые, разветвлённые, смешанные и т.п.), причем пользователь может сам добавлять или заменять компоненты модели, так как все компоненты представляют собой ActivX DLL модули написанные на VB 6.0 .

· Внешний - через такой узел в систему поступает жидкость (из реки, например), либо сливается и поэтому для такого узла не соблюдается закон Кирхгоффа, т.е. алгебраическая сумма всех входящих и исходящих потоков не равна нулю. На рисунке такими узлами являются №1, №2 и №3;

произвольное название, необходимое для идентификации внешнего узла на схеме. Не должно повторяться.

высота внешнего узла относительно какой-либо горизонтальной отметки, принятой за ноль для всех узлов. Например, уровень моря.

избыточное давление во внешнем узле. Этот параметр не вычисляется в результате выполнения гидравлического расчёта, а используется таким, каким будет установлен.

· Внутренний - нормальный узел, для него соблюдается закон Кирхгоффа, т.е. алгебраическая сумма всех входящих и исходящих потоков равна нулю. На рисунке это узел №4;

произвольное название, необходимое для идентификации узла на схеме. Не должно повторяться.

высота узла относительно какой-либо горизонтальной отметки, принятой за ноль для всех узлов. Например, уровень моря.

избыточное давление в узле. Этот параметр вычисляется в результате выполнения гидравлического расчёта.

минимальное давление в узле. Этот параметр используется в режиме "Проектирование" для узлов, являющимися входными для насосов.

· Резервуар - здесь происходит накопление жидкости и поэтому для такого узла закон Кирхгоффа соблюдается частично, т.е. алгебраическая сумма всех входящих потоков больше или равна сумме всех исходящих потоков. Подразумевается, что всегда существует какой-то регулирующий механизм, который отключит подачу жидкости при достижении верхнего уровня резервуара, либо произойдёт перелив.

произвольное название, необходимое для идентификации резервуара на схеме. Не должно повторяться.

высота резервуара относительно какой-либо горизонтальной отметки, принятой за ноль для всех узлов. Например, уровень моря.

Важно! В режиме автоматического проектирования системы высота резервуара вычисляется программой и в это поле будет записана найденная высота, необходимая для функционирования системы.

уровень жидкости. Этот параметр вычисляется в результате выполнения гидравлического расчёта.

максимальный уровень заполнения резервуара.

уровень жидкости в процентах от максимального, для заданного расхода. Этот параметр используется в режиме проектирования схемы.

· Водовод - это пассивное соединение, через которое осуществляется транспортировка жидкости. Для движения потока необходимо, чтобы на концах водовода существовала разность напоров. Разность напоров (или потеря напора) связана с потоком жидкости (или расходом) следующей зависимостью

R - гидравлическое сопротивление на единицу длины для выбранного материала и диаметра водовода,

n - показатель степени, для расчёта систем водоснабжения n=1,9 (турбулентное движение).

произвольное название, необходимое для идентификации водовода на схеме. Не должно повторяться.

материал водовода. Выбирается из справочника. Справочник редактируемый. Можно удалять и добавлять новые материалы.

диаметр водовода. Выбирается из справочника. Перечень возможных диаметров зависит от выбранного материала. Справочник редактируемый. Можно удалять и добавлять новые типы труб.

можно задавать от 1 до 2. Для водовода по умолчанию используется 1,9 (турбулентное движение). Для расчёта безнапорной канализации можно использовать 1,0 - 1,5 (ламинарное движение).

поток, проходящий через водовод. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

если равно 1, то поток от начального узла к конечному, если -1, то в противоположном направлении. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта. На схеме отображается стрелкой.

скорость потока. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

Следующие параметры используются для корректировки гидравлического сопротивления водовода по мере “зарастания”, старения и т.п.

фактический напор на входе водовода. Это поле заполняется, для корректировки теоретического сопротивления водовода.

фактический напор на выходе водовода. Это поле заполняется, для корректировки теоретического сопротивления водовода.

фактический измеренный расход. Это поле заполняется, для корректировки теоретического сопротивления водовода.

это поле заполняется, для корректировки теоретического сопротивления водовода (1% – 100%). Если будут заполнены все три поля, т.е. "Напор входной измеренный", "Напор выходной измеренный" и "Расход измеренный", программа расчитает этот поправочный коэффициент автоматически. Чтобы отключить автоматическое вычисление этого коэффициента, установите "Расход измеренный" в ноль, после чего можно установить значение коэффициента вручную. Это позволяет провести калибровку водовода на каком-то одном участке и применить полученный коэффициент для других похожих участков.

· Потребитель - это пассивное соединение, которое моделирует потребление жидкости. Для движения потока необходимо, чтобы на концах потребителя существовала разность напоров. При увеличении этой разности напоров расход жидкости растёт прямо пропорционально, пока разность напоров не достигнет некоторой величины - минимально необходимый напор для потребителя. После этого расход не увеличивается. Таким образом, в этой модели потребителя предполагается, что всегда существует некий механизм (например, запорная арматура в квартирах), с помощью которого потребитель расходует именно столько жидкости, сколько ему надо, важно, чтобы был обеспечен некоторый минимальный напор.

произвольное название, необходимое для идентификации потребителя на схеме. Не должно повторяться.

минимальный напор, необходимый потребителю.

поток, приходящий к потребителю. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

· Слив - это пассивное соединение, через которое осуществляется слив жидкости в резервуар.

произвольное название, необходимое для идентификации слива на схеме. Не должно повторяться.

высота слива над дном резервуара. Должна быть больше или равна максимального уровня заполнения резервуара.

поток, проходящий через слив. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

· Фильтр - это пассивное соединение, через которое осуществляется фильтрация жидкости. Для движения потока необходимо, чтобы на концах фильтра существовала разность напоров. Разность напоров (или потеря напора) связана с потоком жидкости (или расходом) следующей зависимостью

R - гидравлическое сопротивление на единицу толщины фильтрующего слоя для выбранного фильтрующего материала и площади фильтра,

n - показатель степени, для фильтра n=1 (ламинарное движение).

Важно! Входным (верхним) и выходным (нижним) узлом должен быть резервуар!

произвольное название, необходимое для идентификации фильтра на схеме. Не должно повторяться.

имеет размерность скорости. Зависит от типа фильтрующего материала.

скорость фильтрации, необходимая для нормальной работы фильтра.

поток, проходящий через фильтр. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

Важный параметр фильтра – высота столба жидкости над фильтрующим элементом. Этим параметром является параметр “Уровень” входного (верхнего) резервуара.

· Насос - это активное соединение, которое создаёт избыточный напор, с обратным знаком по отношению к внутренним потерям напора в самом насосе. Движение потока в нём существует даже при нулевой разности напоров на концах за счет приложенной внешней механической энергии (электродвигатель). Разность напоров (или потеря напора) связана с потоком жидкости (или расходом) следующей зависимостью

H₀ - максимальный напор, создаваемый насосом на холостом ходу, зависящий от марки насоса.

Как видно из формулы, насос можно представить в виде узла с избыточным напором H₀, зависящим прямо пропорционально от оборотов привода, и соединения с гидравлическим сопротивлением K. Поэтому автор ввел для моделирования насоса параметр “Коэффициент включения” M. Итоговая формула для моделирования насоса выглядит так,

произвольное название, необходимое для идентификации насоса на схеме. Не должно повторяться.

показывает в процентах обороты вала насоса от номинальных. Этот коэффициент можно вводить, либо он вычисляется автоматически в режиме "Проектирование".

это поле информационное. Оно обновляется после выбора марки насоса и коэффициента включения. Показывает максимальный напор насоса при нулевом расходе.

показывает надо ли подбирать коэффициент включения в режиме "Проектирование".

поток, проходящий через насос. Это поле заполняется после выполнения гидравлического расчёта.

2.3 Дополнительные элементы типа "арматура"

При создании модели (схемы) сети или сооружения на соединения типа "водовод" могут быть добавлены дополнительные элементы типа "арматура".

· Задвижка - модель реальной задвижки. По отношению к водоводу является дополнительным элементом, который добавляет местные потери напора к потерям водовода в зависимости от степени открытия.

произвольное название, необходимое для идентификации задвижки на схеме. Не должно повторяться.

материал задвижки. Выбирается из справочника.

диаметр задвижки. Выбирается из справочника. Перечень возможных диаметров зависит от выбранного материала.

· Клапан - модель идеального клапана. По отношению к водоводу является дополнительным элементом, который добавляет местные потери напора к потерям водовода в зависимости от направления потока, т.е. в одну сторону потери минимальны, а в другую максимальны. Может быть “прямой” и “обратный”.

произвольное название, необходимое для идентификации клапана на схеме. Не должно повторяться.

· Поворот - модель реального поворота. По отношению к водоводу является дополнительным элементом, который добавляет местные потери напора к потерям водовода в зависимости от радиуса и угла поворота. В графическом редакторе программы выглядит как узел (отличается цветом), который соединяет два водовода, но на самом деле это один и тот же водовод.

произвольное название, необходимое для идентификации поворота на схеме. Не должно повторяться.

материал поворота. Выбирается из справочника.

диаметр водовода. Выбирается из справочника. Перечень возможных диаметров зависит от выбранного материала.

Для всех параметров указаны базовые единицы измерения. При экспорте в Excel используются базовые единицы, а при работе с программой и выводе параметров на печать можно установить любые единицы измерения. Для этого в режиме “Формат” для выбранного числового! параметра необходимо указать название единицы и коэффициент пересчета. Все параметры хранятся в базовых единицах, а при выводе на экран или на печать будут умножаться на этот коэффициент. При вводе параметра (редактировании) он будет делиться на коэффициент и только потом сохраняться в документе. Например, для того, чтобы отображать высоту в сантиметрах надо название единицы установить “см”, а коэффициент – 100.

На рисунке показан фрагмент схемы с одним потребителем.

Пусть потребитель P1 – это суммарное потребление по группе объектов, например, по микрорайону. Важно! Потребитель обязательно должен соединяться с внешним узлом! Внешний узел (в данном случае U2) необходим, чтобы обеспечить в созданной модели формальный выход потока из системы. В этом есть глубокий физический смысл - этот узел изображает вход в канализацию или какую-либо иную дренажную систему, ведь вода должна куда-то уходить. Геодезическая высота внешнего узла задаётся равной средней геодезической отметке земной поверхности для данных объектов.

Сам потребитель имеет два основных параметра – это “Расход заданный” и “Минимальный напор”. Если с заданным расходом всё ясно, то второй параметр требует некоторого пояснения. Минимальный напор определяется согласно СНИП и зависит от этажности застройки, от наличия средств пожаротушения, от типа производства, если это производственные объекты и т.д. Минимальный напор определяется относительно средней геодезической отметки земной поверхности, т.е. относительно внешнего узла, в данном случае - это U2. Поэтому, на приведённой схеме, потребитель P1 будет обеспечен напором равным разности полных напоров узлов U1 и U2 (H_U1 – H_U2).

Для иллюстрации сказанному, ниже на рисунке показан пример внутренней структуры потребителя.

Во многих конкурирующих программах по гидравлическому расчёту сетей и при ручных расчетах используется упрощенный метод. Вводится понятие “узловой расход” и сеть просчитывается в предположении, что при любом напоре расход не изменяется, однако, это не соответствует физическим реалиям нашего мира и приводит к серьёзным ошибкам при расчете.

На рисунке показан фрагмент схемы с одним потребителем и резервуаром.

Если выполнить команду “Расчет” для этой схемы, то поток в водоводе будет равен нулю! Дело в том, что на этой схеме нет источника, т.е. внешнего узла, через который жидкость поступает в систему, а резервуар по своей физической сути является внутренним узлом с накоплением, т.е. в резервуаре жидкость сама по себе не появится, её надо туда доставить! Если для этой схемы запустить команду “Проектирование”, то программа выдаст сообщение об ошибке и сообщит, что нет входящего или исходящего узла.

Добавим необходимые элементы (сначала внешний узел U0, а затем соединим его с резервуаром соединением типа “Слив”), в результате получим такую схему.

При работе с соединением типа “Слив” необходимо учитывать один важный момент. Параметр “Уровень слива” означает высоту расположения выходного отверстия слива относительно резервуара, поэтому входной узел слива (на рисунке это U0) должен иметь геодезическую высоту равную геодезической высоте резервуара плюс “Уровень слива”. В следующей редакции программы это будет делаться автоматически, а пока за этим необходимо следить!

Для узла U0 параметр “Напор” должен быть больше нуля, иначе потока не будет. Действительно, с физической точки зрения ясно, что напор в точке слива должен быть больше, чем высота слива.

На рисунке показан фрагмент схемы с одним потребителем и насосом.

Насос включается между двух узлов. Физически они соответствуют входному и выходному патрубкам насоса. Эти узлы могут быть любого типа. В показанном варианте входной узел насоса – внешний. Такую схему, например, можно использовать для моделирования работы погружного насоса в скважине. В этом случае “Высота узла” будет меньше нуля и равна глубине относительно земной поверхности. Но в большинстве случаях, лучше сделать эти узлы внутренними. Будет меньше путаницы при анализе модели и работе с ней.

Ниже на рисунке показан фрагмент схемы с таким подключением насоса.

Если для этой схемы запустить “Проектирование”, то программа выполнит подбор типа насоса и диаметра водоводов. Для входного узла насоса, в данном случае U1, можно задать параметр “Минимальный напор” (по умолчанию ноль). Физический смысл параметра - это допустимый вакуум для входного патрубка насоса. Для внешнего узла U0 программа подберет параметр “Напор”, минимально необходимый для создания заданного потока до узла U1, с учётом параметра “Минимальный напор” этого узла.