УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОТСТОЙНИКОВ Автореферат

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі досліджень, розкривається наукова новизна й практичне значення отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача.

У першому розділі представлені результати огляду наукових робіт, які присвячені проблемі моделювання процесів масопереносу у відстійниках.

Представлено результати аналітичного огляду методів та моделей, що використовуються для розрахунку відстійників споруд водовідведення.

Відзначено, що значний вклад у розробку методів розрахунку відстійників внесли такі вчені, як О. Я. Олійник, І. М. Таварткиладзе, А. М. Кравчук, С. В. Яковлев, К. В. Гнедін, Г. С. Пантелят, С. М. Епоян, А. Я. Найманов, Ю. І. Калугін, Н. Г. Степова, Г. П. Медведев, Б. Г. Мішуков, Г. Г. Іванов, Ю. Ф. Ель, М. Р. Телесин, Г. І. Сухоруков, Е. І. Давидов, Б. Ф. Лямаєв, О. М. Нечипор, Б. Н. Репін, С. І. Епштейн, O. M. Al-Qudah, A. Abusam, K. I. Keesman, I. C. Walton, R. Bürger, B. Holenda, B. De Clercq, P. A. Vanrollenghem, R. David, P. M. Marais, G. A. Ekama, B. G. Plosz, I. Nopens, A. Griborio, A. I. Stamou, I. Celic, W. Rodi, P. Lansen, B. I. Larock, S. Zhou, I. A. McCorquadale, D. Robescu, U. Jeppsson, S. Murakami, Hey-Suk Kim, M. Shahrokhi, A. Shaw та інші.

Здійснено порівняльний аналіз моделей для розрахунку відстійників. Встановлено, що моделі, які використовуються для розрахунку відстійників, можуть бути розділені на ряд класів: 1) емпіричні і статистичні моделі; 2) балансові моделі; 3) одновимірні кінематичні моделі; 4) багатовимірні CFD моделі.

Виявлено, що емпіричні і статистичні моделі є достатньо економічними, мають прості розрахункові залежності, не вимагають необхідності використання комп’ютера, водночас моделі даного класу «прив’язані» до конкретного об’єкту, де проводились вимірювання та спостереження, не враховують гідродинаміку у відстійнику, дифузію, геометричну форму відстійника та його внутрішні конструктивні особливості.

Відмічено, що балансові моделі мають прості розрахункові залежності та достатню швидкість розрахунків, враховують витрату води, швидкість осідання забруднювача, швидкість реакцій, водночас моделі даного класу не враховують зміну швидкості течії у середині відстійника, дифузію, геометричну форму відстійника та його внутрішні конструктивні особливості.

Виявлено, що одновимірні кінематичні моделі мають достатню швидкість розрахунків, враховують при розрахунках швидкість течії, дифузію, хімічні реакції та швидкість осідання забруднювача, водночас моделі даного класу не враховують зміну швидкості течії всередині відстійника, його геометричну форму та внутрішні конструктивні особливості, розрахунок проводиться за заданою величиною швидкості течії. Проте, аналіз літературних джерел показав, що ці моделі найбільше використовуються для розрахунку вертикальних відстійників в Україні та за кордоном. Але моделі даного класу орієнтовані на розрахунки вертикальних відстійників з центральною трубою, тобто для відстійників, що мають чітку осьову симетрію.

Відмічено, що найбільш універсальними моделями для розрахунку відстійників є багатовимірні CFD моделі. У моделях даної групи розрахунок відстійника розбивається на два етапи: рішення гідродинамічної задачі з метою визначення поля швидкості у відстійнику; рішення задачі масопереносу (транспорту забруднювача) у відстійнику. Для розв’язання гідродинамічної задачі використовуються як модель в’язкої рідини (рівняння Нав’є-Стокса, що записані у фізичних перемінних або у перемінних Гельмгольца), так і модель нев’язкої нестисливої рідини (модель потенціальної течії).

Визначено, що використання рівнянь динаміки рідини дозволяє на новому рівні, на відміну від балансових та одновимірних моделей, здійснювати моделювання процесу масопереносу у відстійниках: ці моделі дають можливість розрахувати масоперенос забруднювача з урахуванням нерівномірного поля швидкості всередині споруди та з урахуванням його геометричної форми. Так як CFD моделі базуються на фундаментальних законах механіки й моделювання процесів здійснюється з чітким розумінням фізики процесу, то за кордоном вони мають назву «Glass Box» Models.

Аналітичний огляд показав, що за кордоном найбільше застосовуються дво- та тривимірні CFD моделі, що базуються на рівняннях Нав’є-Стокса. Водночас при використанні моделі в’язкої рідини необхідні великі затрати комп’ютерного часу на розрахунок одного варіанту при суттєвій вартості розрахунку (B. Plosz at al.).

У даному розділі також розглянуто питання експериментального дослідження процесу масопереносу у відстійниках. Аналіз літературних джерел, присвячених цьому питанню, показав, що в теперішній час для проведення експериментальних досліджень використовується коштовне обладнання як для виміру швидкості потоку, так і для концентрації забруднювача у відстійнику (системи LS-DIP (Laser Sheet Digital Image Processing), Optical Methods та інш.). Як показав огляд літературних джерел, у сучасний час в Україні обладнання такого класу для проведення експериментів не використовується.

Аналіз наукових публікацій, які присвячені проблемі розробки математичних моделей відстійників, показав, що в Україні відсутні

багатовимірні моделі для розрахунку відстійників, які мають складну геометричну форму, у тому числі вертикальних. Тому актуальною задачею є розробка ефективних багатовимірних CFD моделей для дослідження масопереносу у відстійниках, що мають складну геометричну форму та містять різноманітні конструктивні елементи.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню процесів гідродинаміки течії та масопереносу у вертикальних відстійниках.

Сформульовані особливості класу задач, що розглядаються. Відмічено такі особливості:

- складна геометрична форма відстійника;

- як наслідок складної форми споруди – зміна швидкості потоку стічних вод усередині споруди як за напрямом, так і за величиною;

- розташування усередині даної очисної споруди різноманітних перегородок, водозливів, центральної труби, дефлекторів;

- необхідність урахування гравітаційного осідання забруднювача;

- можливість різноманітного розташування вхідних та вихідних отворів для подачі та відводу стічних вод, що впливає на гідродинаміку течії усередині відстійника;

- розташування розсікача у відстійнику перед виходом з центральної труби;

- протікання біохімічних процесів усередині споруди.

У роботі ставиться задача створення таких CFD моделей, які змогли би врахувати перераховані особливості при проведенні обчислювального експерименту.