Руководство пользователя

КРАТКОЕ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ (ГЛАВА 2 И 3 ПОЛНОГО РУКОВОДСТВА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ)

ПОЛНОЕ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ В ФОРМАТЕ PDF РАСПОЛОЖЕНО В РАЗДЕЛЕ «СКАЧАТЬ»

 В этой главе на примере простой водораспределительной сети рассматриваются основные возможности EPANET. Если Вы не знакомы с компонентами водораспределительных сетей и тем, как они используются в гидравлических моделях, вначале просмотрите два первых раздела Главы 3.

2.1 Установка EPANET

EPANET Версии 2 работает под управлением операционной системы Windows. Русская версия программы распространяется в виде инсталляционного пакета. Для установки EPANET2:

  1. Скопируйте файл установки, содержащий EPANET2, с сайта www.epanet.com.ua к себе на компьютер.
  2. Запустите инсталляционный пакет.
  3. Запустите файл Epanet2w.exe.

2.2 Пример водораспределительной сети

Для примера рассмотрим простую водораспределительную сеть, представленную на Рис.2.1. Сеть состоит из резервуара-источника, из которого вода насосом подается в двухконтурную водораспределительную сеть. Также в сети присутствует накопитель. Обозначения различных компонентов приведены на рисунке. Характеристики элементов сети представлены в Табл.2.1. Свойства трубопроводов перечислены в Табл.2.2. Насос (Элемент 9) имеет производительность 135 м3/ч и напор 45 м. Накопитель (Элемент 8) имеет диаметр 18 м, начальный уровень воды – 1 м, максимальный уровень воды – 6 м.

2_1

Рис 2.1 Схема, используемая в примере

Таблица 2.1 Свойства элементов сети

tab_2_1

Таблица 2.2 Свойства трубопроводов

 tab_2_2

2.3 Создание проекта

Вначале мы должны создать новый проект в EPANET и убедиться в том, что установлены требуемые опции по умолчанию. Запустите EPANET и выберите пункт меню Файл – Новый для создания нового проекта. Далее выберите пункт меню Проект – По умолчанию… для отображения диалогового окна, показанного на Рис.2.2. Используйте это окно для того, чтобы настроить автозаполнение имен элементов последовательными числами, начиная с 1, по мере их добавления к схеме. На вкладке Имена объектов очистите все поля колонки Префикс имени, кроме последнего (Шаг инкремента). Установите Шаг инкремента равным 1. Далее выберите вкладку Гидравлика и установите значение поля Единицы расхода равным М3Ч. При этом программа автоматически будет использовать систему СИ для всех остальных величин (длина в метрах, диаметр трубы в мм, давление в паскалях). Также выберите формулу Хазена-Вильямса (Х-В) для расчета потерь напора. Если вы хотите использовать указанные настройки для всех новых проектов, отметьте флажок Использовать по умолчанию для новых проектов перед нажатием ОК для применения параметров.

2_2Рис. 2.2 Диалоговое окно По умолчанию…

Далее настройте параметры карты. Для этого выберите пункт меню Вид – Настройки для открытия диалогового окна Свойства карты. Перейдите на вкладку Подписи объектов и установите значения параметров так, как это показано на Рис. 2.3. Далее перейдите на вкладку Символы и отметьте все флажки. Нажмите ОК для подтверждения выбора и закрытия диалогового окна.

Наконец, перед началом создания нашей схемы мы должны убедиться в том, что введены правильные настройки масштаба. Выберите пункт меню Вид – Размеры… для открытия диалогового окна Размеры карты. Просмотрите значения, установленные программой по умолчанию. Эти значения подходят для нашего примера, поэтому просто нажмите ОК для закрытия окна.

2_3Рис. 2.3 Диалоговое окно Свойства карты

2.4 Создание схемы

Теперь мы готовы начать рисование нашей схемы. Для этого мы будем использовать кнопки панели инструментов Карта (Если эта панель не видна, отметьте пункт меню Вид – Панели инструментов — Карта).

Вначале мы добавим резервуар. Нажмите кнопку Резервуар . Далее выполните щелчок мышью на карте в том месте, где вы хотите добавить резервуар.

Далее добавьте узлы. Нажмите кнопку Узел  и выполните щелчок мышью на карте в тех местах, где необходимо расположить узлы со второго по седьмой.

Наконец, добавьте емкость, нажав кнопку Накопитель  и выполнив щелчок мышью на карте в том месте, где этот накопитель будет размещен. На этом этапе схема должна выглядеть так, как показано на Рис. 2.4.

2_4Рис. 2.4. Внешний вид схемы после добавления элементов

Далее мы добавим трубопроводы. Давайте начнем с Трубопровода 1, соединяющего Элементы 2 и 3. Вначале нажмите кнопку Трубопровод  на Панели инструментов. Затем выполните щелчок мышью на Элементе 2 схемы, и затем на Элементе 3. При движении курсора от Элемента 2 к Элементу 3 рисуется контур трубопровода. Повторите эту процедуру для трубопроводов со второго по седьмой.

Трубопровод 8 имеет изогнутую форму (форму ломаной линии).  Вначале выполните щелчок на Элементе 5. Затем при движении мыши к Элементу 6, нажимайте левую кнопку мыши в тех точках, где трубопровод должен изменить направление. Завершите процесс, выполнив щелчок мышью на Элементе 6.

Далее добавьте насос. Нажмите на кнопке Насос , нажмите мышью на Элементе 1, затем на Элементе 2.

Затем мы добавим подписи к резервуару, насосу и накопителю. Выберите кнопку Надпись  на Панели инструментов и выполните щелчок мышью на карте рядом с резервуаром (Элемент 1). Появится текстовое поле. Наберите слово ИСТОЧНИК и нажмите клавишу Enter.  Выполните щелчок мышью рядом с насосом и отредактируйте соответствующую надпись, проделайте то же самое с накопителем. Далее нажмите на кнопке Выбор объекта  для того, чтобы перейти из режима вставки текста в режим выбора объектов на карте.

К настоящему моменту Ваша схема должна выглядеть приблизительно так, как на Рис.2.1. Если элементы смещены или находятся не на своем месте, Вы можете их перемещать, перетаскивая с помощью мыши при зажатой левой кнопке. Обратите внимание, как трубопроводы, соединенные с перемещаемым элементом, перемещаются вместе с ним. Подобным образом можно изменять положение и надписей. Для изменения формы изогнутого Трубопровода 8:

  1. Выберите Трубопровод 8, выполнив щелчок мышью на нем, а затем нажмите кнопку Выбор вершины  Панели инструментов для перевода карты в режим выбора вершин.
  2. Выберите одну из промежуточных точек кривой, нажав на ней мышью, и перетащите ее в нужное место, зажав левую кнопку мыши.
  3. При необходимости вершины могут быть добавлены или удалены. Для этого нажмите правую кнопку мыши и выберите соответствующий пункт контекстного меню.
  4. После окончания редактирования формы кривой, вернитесь в режим выбора объектов, нажав кнопку Выбор объекта .

 2.5 Настройка свойств объектов

При добавлении к проекту свойствам каждого объекта присваиваются значения по умолчанию. Для изменения свойств объекта необходимо выделить объект и перейти в Редактор свойств. Есть несколько способов сделать это. Если программа настроена таким образом, что Редактор свойств всегда активен, то вы просто выполняете щелчок мышью на объекте или выбираете объект на вкладке Объекты окна Обзор.  Если Редактор свойств не активен, вы можете его вызвать одним из следующих способов:

  • Выполнить двойной щелчок мышью на объекте.
  • Нажать правой кнопкой мыши на объекте и выбрать пункт Свойства в контекстном меню.
  • Выделить объект на вкладке Объекты окна Обзор и нажать кнопку Редактировать .

Если окно Редактора свойств активно, то, нажав клавишу F1, вы можете получить подробное описание перечисленных свойств.

2_5Рис.2.5 Редактор свойств

Давайте начнем редактирование, выбрав Элемент 2 в Редактор свойств, как показано на рисунке. Сейчас мы собираемся ввести высотную отметку и узловой расход для этого элемента. Вы можете использовать стрелки Вверх / Вниз на Вашей клавиатуре или мышь для перемещения между полями свойств. Для выбора другого объекта (элемента или трубопровода) в Редактор свойств, нам просто нужно выполнить щелчок мышью на нем. (Кроме того мы можем использовать клавиши PageUp и PageDn для перемещения от объекта к объекту в базе данных и заполнения всех необходимых полей свойств).

Высотную отметку для резервуара (200) вы вводите в поле Общий напор. Для накопителя введите 250 в поле Высотная отметка, 1 в поле Начальный уровень, 6 в поле Максимальный Уровень, и 18 в поле Диаметр. Для насоса введите 1 в поле Кривая производительности.

Теперь необходимо создать кривую производительности насоса с именем 1. Во вкладке Объекты окна Обзор, выберите Кривые из выпадающего списка и нажмите кнопку Добавить . Автоматически добавится кривая с именем 1 и откроется диалоговое окно Редактор кривых (Рис.2.6).  Введите производительность насоса (135) и напор (45) в таблицу. EPANET автоматически создает кривую даже по одной точке. В окне указывается уравнение кривой и ее форма. Нажмите ОК для закрытия окна.

2_6Рис.2.6 Диалоговое окно Редактор кривых

 2.6 Сохранение и загрузка проектов

Завершив создание нашей схемы, необходимо сохранить проделанную работу. Для этого:

  1. Выберите пункт меню Файл – Сохранить как…
  2. В появившемся окне выберите папку и имя файла. Предлагаем назвать файл tutorial.net (Расширение .net будет добавлено к имени файла автоматически).
  3. Нажмите ОК для сохранения проекта в файл.

Проект сохраняется в специальном двоичном формате. Если вы хотите сохранить информацию о схеме в виде читаемого текста, используйте пункт меню Файл-Экспорт-Схема.

Для того чтобы загрузить проект позже, воспользуйтесь пунктом меню Файл-Открыть.

 2.7 Статическое моделирование

Сейчас у нас достаточно информации для выполнения статического моделирования нашей схемы. Для запуска моделирования выберите пункт меню Проект – Выполнить или нажмите на кнопку Выполнить  панели инструментов Стандартная (Если эта панель не отображается на экране, отметьте пункт меню Вид – Панели инструментов – Стандартная).

Если в процессе моделирования возникли ошибки, автоматически откроется окно Отчет выполнения, в котором будет приведена подробная информация об ошибке. Если моделирование было выполнено успешно, просмотреть результаты можно разными способами, например:

  • В выпадающем списке вкладки Карта окна Обзор выбрать пункт Давление. При этом значения давления в узлах будут маркированы соответствующим цветом. Для просмотра легенды цветовой маркировки, выберите пункт меню Вид – Легенда – Элементы (или нажмите правой кнопкой мыши на пустой области карты и в контекстном меню выберите пункт Легенда элементов). Для изменения цветов и интервалов легенды, нажмите правой кнопкой мыши на легенде. При этом откроется окно Редактора легенды.
  • Откройте Редактор свойств (выполните двойной щелчок мышью на любом элементе или трубопроводе). Результаты моделирования отображаются в конце списка свойств.
  • Создайте таблицу результатов, выбрав пункт меню Отчет – Таблица… (или нажав на кнопку Таблица  Панели инструментов). На Рис.2.7 показана таблица результатов для примера, рассматриваемого в этой главе. Обратите внимание: отрицательные значения расхода означают, что направление потока противоположно направлению, которое было выбрано при рисовании трубопровода.

2_7Рис 2.7 Таблица результатов статического моделирования для трубопроводов

 2.8 Динамическое моделирование

Для того чтобы наша схема выглядела более реалистичной при динамическом моделировании, мы создадим Динамический шаблон, в соответствии с которым узловые расходы будут изменяться в течение суток. Для этого простого примера мы будем использовать шаблон с шагом 6 часов. Таким образом, узловые расходы изменяются четыре раза в сутки. (Шаг 1 час более распространен и предлагается EPANET по умолчанию при создании нового проекта). Для изменения значения шага для шаблонов необходимо в выпадающем списке вкладки Объекты окна Обзор выбрать пункт Настройки, затем в списке выбрать пункт Время и нажать кнопку Редактировать. В открывшемся Редакторе свойств введите значение 6 в поле Шаг, шаблон (как указано на Рис.2.8). В этом же окне устанавливается общая продолжительность моделирования. Для этого введите значение 72 в поле Продолжительность моделирования.

2_8Рис.2.8 Диалоговое окно Время. Свойства

Для создания шаблона выберите категорию Шаблоны в окне Обзор и затем нажмите кнопку Добавить . Будет создан шаблон с именем Шаблон 1 и появится окно Редактора шаблона (см. Рис.2.9). Введите значения множителя 0.5, 1.3, 1.0, 1.2 для периодов времени 1 – 4, в сумме составляющих одни сутки (24 часа).

2_9Рис.2.9 Диалоговое окно Редактор шаблона

Множители используются для изменения узлового расхода в каждом временном интервале. Поскольку продолжительность моделирования в нашем случае составляет 72 часа, шаблон продолжительностью 24 часа повторится 3 раза, каждый раз начинаясь сначала (с первого интервала).

Теперь необходимо связать Шаблон 1 со свойством Шаблон узлового расхода всех узлов нашей схемы. Для того чтобы избежать редактирования свойств каждого узла отдельно, мы можем использовать возможности диалогового окна Гидравлика. Свойства. В этом окне найдите свойство Шаблон по умолчанию. Установив значение этого поля равным 1, Вы автоматически установите значение свойства Шаблон узлового расхода равным Шаблон 1 для всех узлов сети, кроме  тех узлов, для которых в свойствах явно указан другой шаблон.

Далее выполните моделирование (выберите пункт меню Проект – Выполнить или нажмите  на Панели инструментов). Для динамического моделирования есть несколько дополнительных способов просмотра результатов:

  • Полоса прокрутки в нижней части вкладки Карта окна Обзор используется для отображения схемы в разные моменты времени динамического моделирования. Установите значение Давление для поля Элементы и Расход для поля Трубопроводы, а затем попробуйте изменить положение ползунка полосы прокрутки.
  • С помощью кнопок проигрывателя вкладки Карта окна Обзор можно просмотреть изменение схемы во времени в виде анимационного ролика. Нажмите кнопку Вперед  для запуска анимационного ролика и кнопку Стоп  для его остановки.
  • Добавьте отображение стрелок направления потока на карте (выберите пункт меню Вид – Настройки…, в открывшемся окне выберите вкладку Стрелки и выберите стиль стрелки). Затем запустите анимационный ролик и обратите внимание на изменение направления потока в трубопроводе при опорожнении и наполнении емкости в процессе моделирования.
  • Создайте временной график для любого элемента или трубопровода. Например, чтобы посмотреть, как изменяется напор в Узле 7 с течением времени:
  1. Выполните щелчок мышью на Узле 7.
  2. Выберите пункт меню Отчет – График (или нажмите кнопку График на Панели инструментов). При этом откроется диалоговое окно Выбор графика.
  3. Выберите Динамический тип графика.
  4. Выберите Напор в качестве параметра для отображения.
  5. Нажмите ОК.

Обратите внимание на периодический характер изменения уровня воды в емкости в процессе моделирования (Рис. 2.10).

2_10

Рис.2.10 Пример временного графика

2.9 Моделирование качества воды

Далее мы покажем, как расширить наш пример для моделирования качества воды. В простейшем случае мы будем отслеживать гидравлическое время пребывания (ГВП) воды в системе и изменение этого параметра с течением времени. Для выполнения этого типа анализа нам необходимо выбрать значение ГВП в поле Параметр окна Качество воды. Свойства (выберите пункт НастройкиКачество воды на вкладке Объекты окна Обзор, затем нажмите кнопку Редактировать  для отображения окна свойств).  Выполните моделирование и выберите ГВП как параметр для отображения на карте. Создайте временной график для параметра ГВП в накопителе. Обратите внимание, что в отличие от уровня воды, 72 часов недостаточно для достижения состояния периодических колебаний ГВП в накопителе. (По умолчанию перед началом моделирования все узлы имеют ГВП равное нулю). Попробуйте повторить моделирование, установив продолжительность моделирования 240 часов и начальное ГВП в накопителе – 60 часов (введите значение 60 в поле Показатель качества нач. в Редакторе свойств накопителя).

Наконец, рассмотрим моделирование хлора в водораспределительной системе. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

  1. Выберите НастройкиКачество воды в окне Обзор. В поле Параметр окна Свойства. Качество воды введите слово Хлор.
  2. Переключитесь на пункт НастройкиРеакции окна Обзор. В поле Глоб. коэф. объемн. реакций введите значение -1.0. Это значение показывает скорость, с которой концентрация хлора будет уменьшаться за счет реакций в объеме (толще) воды с течением времени. Это значение будет применено ко всем трубопроводам системы. При необходимости Вы можете изменить это значение для отдельных трубопроводов.
  3. Выполните щелчок мышью на резервуаре и установите значение 1.0 в поле Показатель качества нач.  Это значение определяет концентрацию хлора, постоянно поступающую в систему (Для накопителя установите значение 0 в поле Показатель качества нач., если Вы его изменяли).

Теперь выполните моделирование. Используйте кнопки проигрывателя вкладки Карта окна Обзор для просмотра изменения концентрации хлора в различных точках сети в разные моменты моделирования.  Обратите внимание, что узлы 5, 6 и 7 характеризуются минимальными значениями концентрации хлора, т.к. в них поступает вода с низкой концентрацией хлора из накопителя. Создайте Отчет по реакциям, выбрав пункт меню Отчет – Реакции. На Рис. 2.11 представлен пример такого отчета. В целом, он показывает, насколько снижается концентрация хлора в трубопроводах по сравнению с накопителем. Термин «Объемн.» относится к реакциям, протекающим в объеме (толще) воды. Термин «Поверхн.» относится к реакциям, протекающим на поверхности стен трубопроводов; значение этого параметра равно нулю, так как мы не указали никакого коэффициента поверхностных реакций для этого примера.

2_11Рис.2.11. Пример отчета по реакциям

Мы познакомились только с малой частью возможностей, предлагаемых EPANET. Ниже перечислены некоторые из дополнительных возможностей программы, не рассмотренных в этой главе:

  • Редактирование свойств группы объектов, находящихся в пределах пользовательского выделения.
  • Использование выражений и правил для изменения режима работы насоса в зависимости от времени суток или уровня в накопителях.
  • Использование различных свойств карты, таких как зависимость размера узла от значения.
  • Установка фона карты (напр., плана улиц).
  • Создание различных типов графиков и диаграмм, например, профильных или контурных.
  • Добавление в проект результатов измерений и просмотр отчета калибровки.
  • Копирование карты, графика, диаграммы, отчета в буфер обмена или файл.
  • Сохранение и загрузка сценариев, содержащих информацию об узловых расходах, шероховатостях трубопроводов и т.п.

ГЛАВА 3 – МОДЕЛЬ ВОДОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

В этой главе рассматриваются модели физических объектов, составляющих водораспределительную сеть, а также дополнительные параметры и компоненты. Подробно о вводе информации в программу будет рассказано в следующих главах. Также в этой главе дан обзор численных методов и алгоритмов, используемых EPANET при моделировании гидравлики и качества воды.

3.1 Физические компоненты

EPANET моделирует водораспределительную сеть как набор элементов, соединенных трубопроводами. Трубопроводы бывают простыми, с насосами и с задвижками. Элементы представлены узлами, накопителями и резервуарами. Рисунок, приведенный ниже, показывает, как эти объекты могут быть объединены в схему.

3_1Рис. 3.1 Физические компоненты водораспределительной сети

3.1.1 Узлы

Узлы – это точки соединения трубопроводов. Также через узлы вода может поступать в систему или выводится из нее. Основные исходные данные, необходимые для определения узла:

  • Высотная отметка, т.е. высота над базовым уровнем (обычно над уровнем моря).
  • Узловой расход (характеризует интенсивность вывода воды из системы).
  • Начальное значение показателя качества.

В результате моделирования для каждого временного интервала рассчитываются:

  • Гидравлический напор;
  • Давление;
  • Показатель качества.

Узлы имеют следующие дополнительные возможности:

  • Узловой расход может изменяться во времени (напр., в течение суток).
  • С одним узлом могут быть связаны несколько категорий узловых расходов.
  • Узловые расходы могут иметь отрицательное значение, что соответствует вводу воды в систему извне.
  • Узел может являться источником при моделировании качества воды.
  • Узел может содержать насадки, позволяющие моделировать связь узлового расхода и давления.

3.1.2 Резервуары

Резервуары – элементы, представляющие собой бесконечный источник ввода воды в систему или отвода воды из нее. Они используются для моделирования таких объектов как озера, реки, подземные водоносные горизонты и т.п. Резервуары также могут быть источниками при моделировании качества воды.

Основными исходными данными для резервуара являются гидравлический напор (равный высотной отметке зеркала воды, если резервуар не находится под давлением) и начальное значение показателя качества.

Так как резервуар является граничной точкой в системе, напор и качество воды в нем не зависят от состояния системы и других элементов или трубопроводов. Поэтому дополнительные параметры при моделировании для резервуара не вычисляются. Тем не менее, напор резервуара может изменяться во времени при применении к нему соответствующего динамического шаблона.

3.1.3 Накопители

Накопители – это элементы, позволяющие моделировать емкости с изменяющимся (переменным) уровнем воды. Основными исходными данными для определения накопителей являются:

  • Высотная отметка дна накопителя (в этой точке уровень зеркала воды равен нулю).
  • Диаметр (или форма, если накопитель имеет форму, отличную от цилиндрической).
  • Начальный, минимальный и максимальный уровень воды.
  • Начальное значение показателя качества воды.

В результате моделирования для каждого временного интервала рассчитываются:

  • Гидравлический напор (уровень зеркала воды).
  • Значение показателя качества воды.

Уровень воды в накопителях должен находиться между минимальным и максимальным уровнем. EPANET автоматически прекращает отвод воды из накопителя при снижении уровня воды до минимального и прекращает подачу воды при достижении максимального уровня. Накопитель также может выполнять функцию источника при моделировании качества воды.

3.1.4 Насадки

Насадки – устройства, связанные с узлами и моделирующие истечение воды через форсунки, спринклеры, разбрызгиватели, решетки с отводом воды в атмосферу. Расход через насадку изменяется в зависимости от давления в узле по формуле:

f_3_1

где q – расход воды, p – давление, С – коэффициент расхода, g — показатель степени. Для форсунок и разбрызгивателей g равен 0.5. Значение коэффициента расхода, определяемого обычно как расход, отнесенный к определенной величине потери давления, производитель указывает в паспорте устройства.

Насадки могут использоваться для моделирования систем орошения; утечек в трубопроводе, соединенного с узлом (если могут быть оценены коэффициент расхода и показатель степени для места утечки); расчета расхода в узле при пожаротушении (расход, доступный при определенном минимальном остаточном давлении). В последнем случае необходимо указать очень большое значение коэффициента расхода (напр., в 100 раз больше максимального ожидаемого расхода) и изменить высотную отметку узла, чтобы включить эквивалентный напор на выходе. EPANET считает насадки свойством узла, а не отдельным элементом сети.

3.1.5 Трубопроводы

Трубопроводы служат для объединения элементов в единую схему. EPANET считает, что все трубопроводы полностью заполнены на протяжении всего времени моделирования. Вода движется от зон с большим гидравлическим напором в зоны с меньшим гидравлическим напором. Основными исходными данными для определения трубопроводов являются:

  • Начальный и конечный элемент.
  • Диаметр.
  • Длина.
  • Шероховатость (для определения потерь напора).
  • Состояние (открыт, закрыт, содержит обратный клапан).
  • Коэффициент объемных реакций.
  • Коэффициент поверхностных реакций.

В результате моделирования для каждого временного интервала рассчитываются:

  • Расход.
  • Скорость.
  • Потери напора.
  • Коэффициент трения Дарси-Вайсбаха.
  • Скорость реакции, усредненная по длине трубопровода.
  • Показатель качества воды, усредненный по длине трубопровода.

Потери напора по длине трубопровода вычисляются с использованием одной из следующих формул:

  • Формула Хазена-Вильямса.
  • Формула Дарси-Вайсбаха.
  • Формула Чези-Маннинга.

Наиболее распространенной (в США – прим.пер.) является формула Хазена-Вильямса. Она может быть применена к различным жидкостям, но только в пределах турбулентного режима течения жидкости. Формула Дарси-Вайсбаха теоретически наиболее корректна. Она может быть применена для любых жидкостей и во всем диапазоне значений турбулентности потока. Формула Чези-Маннинга чаще используется для расчета потерь напора в безнапорных коллекторах и каналах.

Для расчета потерь напора каждая из формул использует следующее уравнение:

f_3_2

Где hL – потери напора (Длина), q – расход (Объем/Время), А – коэффициент сопротивления, В – показатель степени. В Таблице 3.1 представлены выражения для коэффициента сопротивления, а также показатели степени для каждой из формул. Каждая из формул использует различный коэффициент шероховатости, определяемый эмпирическим путем. В Таблице 3.2 перечислены диапазоны значений этих коэффициентов для новых труб, изготовленных из разных материалов. Обратите внимание на тот факт, что коэффициент шероховатости трубопровода со временем значительно изменяется.

С формулой Дарси-Вайсбаха EPANET использует различные методы расчета коэффициента трения f в зависимости от режима турбулентности:

  • Формула Хаген-Пуазеля — для ламинарных потоков (Re<2000).
  • Приближенное выражение уравнения Колбрука-Уайта, разработанное Свамми и Джейном, для турбулентных потоков (Re > 4000).
  • Кубическая интерполяция диаграммы Муди для переходных режимов (2000<Re<4000).

Более детально уравнения модели рассмотрены в Приложении В.

Таблица 3.1 Формулы потери давления (потеря напора в футах, расход в куб.фут/с)

tab_3_1

 Таблица 3.2 Коэффициент шероховатости для новых труб

tab_3_2 Трубопровод может находиться в открытом или закрытом (расход равен нулю) состоянии. Пользователь может устанавливать и изменять состояние для определенных промежутков времени, а также в зависимости от определенных условий.  Более детально рассматривается в Разделе 3.2.

 3.1.6 Местные потери напора

Местные потери напора обуславливаются дополнительной турбулентностью при прохождении воды через трубопроводную арматуру, фитинги, при изменении направления потока, при разделении или объединении потоков. Целесообразность учета таких потерь напора зависит от схемы и требуемой точности расчетов. Местные потери напора учитываются путем ввода Коэффициента местных потерь напора. Местные потери определяются как произведение этого коэффициента и скоростного напора.

f_3_3

Где К – коэффициент местных потерь напора, v – скорость потока (Длина/Время), g – ускорение свободного падения (Длина/Время2). В Таблице 3.3 приведены местные потери напора для некоторых фитингов.

Таблица 3.3 Коэффициент потери напора для некоторых фитингов

tab_3_3

 3.1.7 Насосы

Насосы – комбинация трубопровода и насоса, привносящего энергию в систему и увеличивающего гидравлический напор. Насос не является отдельным элементом, а неразрывно связан с трубопроводом, вместе с которым он добавляется к схеме. Основными исходными данными для определения насоса являются начальный и конечный элементы, а также кривая производительности. Помимо кривой производительности, насос может быть определен как источник энергии, подающий в систему постоянное количество энергии (в кВт или л.с.) для всех комбинаций расхода и напора.

Основными расчетными параметрами для насоса являются расход и увеличение (прирост) напора. Поток через насос может двигаться только в одном направлении. EPANET запрещает эксплуатацию насоса за границами кривой производительности.

EPANET может моделировать частотно регулируемые насосы, анализируя параметр Частотный коэффициент. Кривой производительности, присваиваемой насосу, ставится в соответствие значение параметра Частотный коэффициент равное 1. Если частота увеличивается вдвое, то Частотный коэффициент будет равен двум, а если частота уменьшается вдвое, то Частотный коэффициент  равен 0,5 и т.д. Изменение частоты приводит к смещению положения кривой производительности и изменению ее формы (см. Раздел 3.2.2).

Подобно простым трубопроводам, насосы могут быть включены или отключены в определенные отрезки времени или при наступлении определенного условия. Также работу насоса можно регулировать, присвоив ему динамический шаблон значений Частотного коэффициентаEPANET также рассчитывает энергопотребление насоса и стоимость электроэнергии. Каждому насосу может быть присвоена кривая эффективности и расписание стоимости электроэнергии (напр., в зависимости от времени суток). Если эти значения не указаны для данного насоса, используются значения параметров по умолчанию.

Поток движется через насос в одном направлении. Если при моделировании возникает ситуация, когда от насоса требуется больший напор, чем он может дать, EPANET отключает насос. Если превышен максимальный расход, EPANET экстраполирует кривую производительности до требуемого расхода, даже если это приведет к возникновению отрицательного напора. В обоих случаях выводится предупреждение.

3.1.8 Задвижки

Задвижка – комбинация трубопровода и регулирующего устройства, ограничивающего давление или расход в определенной точке сети. Задвижка не является отдельным элементом, а неразрывно связана с трубопроводом, вместе с которым она добавляется к схеме.  Основными исходными данными, определяющими задвижку, являются:

  • Начальный и конечный элемент.
  • Диаметр.
  • Тип регулирования.
  • Состояние.

Расчетными значениями для задвижки являются расход и потери напора.

EPANET различает следующие типы регулирования:

  • Ограничение давления (ОДВ).
  • Фиксированное давление (ФДВ).
  • Фиксированная потеря напора (ФПН).
  • Ограничение расхода (ОРС).
  • Частично открытая задвижка (ЧОТ).
  • Программируемая задвижка (ПРГ).

Задвижка типа ОДВ ограничивает давление в трубопроводе ниже (по течению) места установки. Значение граничного давления вводится пользователем. При моделировании EPANET вычисляет, в каком из трех состояний находится задвижка:

  • Частично открытая (т.е. активная) для достижения требуемого давления после задвижки, при условии что, давление перед задвижкой больше требуемого давления.
  • Полностью открытая, если давление перед задвижкой менее требуемого давления.
  • Закрытая, если давление после задвижки больше, чем давление перед задвижкой (при этом типе регулирования движение воды в обратном направлении запрещено).

Задвижка типа ФДВ поддерживает заданное (фиксированное) значение давления в трубопроводе выше (по течению) места установки. Требуемое значение давление вводится пользователем. Возможны следующие три состояния задвижки:

  • Частично открытая (т.е. активная) для поддержания заданного значения давления перед задвижкой, при условии что, давление после задвижки менее заданного значения.
  • Полностью открытая, если давление после задвижки больше заданного значения.
  • Закрытая, если давление после задвижки превышает давление перед задвижкой (движение воды в обратном направлении запрещено).

Задвижки типа ФПН обеспечивают заданную потерю напора при прохождении воды через задвижку. Направление потока может быть как прямым, так и обратным. Задвижки тип ФПН не имеют реальных аналогов, но могут быть использованы в тех случаях, когда известно, что на участке трубопровода наблюдается определенная потеря напора.

Задвижки типа ОРС ограничивают расход, и по возможности поддерживают его на заданном уровне.  Программа выдает предупреждение, если невозможно обеспечить требуемый расход без добавления дополнительного напора в задвижке (т.е. если расход невозможно обеспечить даже при полностью открытой задвижке).

Задвижки типа ЧОТ позволяют моделировать трубопроводную арматуру в промежуточном состоянии регулирующего органа. Зависимость потерь напора от степени открытия задвижки обычно указывается производителем.

Для задвижек типа ПРГ пользователь указывает специальную зависимость «расход – потери напора», которая используется вместо стандартных формул. Этот тип задвижек позволяет моделировать трубопроводами с турбинами или другими специальными элементами.

Отсечные задвижки и обратные клапаны, полностью открывающие или перекрывающие поток через трубопровод, рассматриваются не как отдельные типы задвижек, а как параметр «Состояние»,  доступный для всех типов трубопроводов.

Для каждого типа задвижки существует свой специфический параметр, характеризующий их работу (давление для задвижек ОДВ, ФДВ и ФПН; расход для ОРС; коэффициент потерь напора для ЧОТ; и кривая потерь напора для ПРГ).

Значения откр./закр. свойства Состояние задвижек имеет преимущество перед алгоритмом работы задвижки соответствующего типа. Состояние задвижки, а также значение параметра, характеризующего работу задвижки, может быть изменено в процессе моделирования с помощью правил или алгоритмов.

Из-за особенностей работы задвижек различных типов, EPANET проверяет соблюдение следующих правил при добавлении их в систему:

  • Задвижки типа ОДВ, ФДВ, ФПН не могут быть напрямую присоединены к  резервуару или накопителю (при необходимости для этого может быть использован дополнительный трубопровод).
  • Задвижки типа ОДВ не могут соединяться последовательно или заканчиваться в одном элементе.
  • Две задвижки типа ФДВ не могут соединяться последовательно или начинаться в одном элементе.
  • Задвижка типа ФДВ не может быть соединена с элементом, который является конечным для задвижки типа ОДВ.

 3.2. Другие объекты

В дополнение к рассмотренным элементам и трубопроводам, EPANET содержит еще три типа объектов – кривые; шаблоны; управляющие инструкции. Эти объекты описывают эксплуатационные аспекты водораспределительной сети.

3.2.1 Кривые

Кривые – это объекты, содержащие пары значений, характеризующих взаимосвязь между двумя сущностями.  Два или более элемента могут ссылаться на одну кривую. EPANET выделяет следующие типы кривых:

  • Кривая производительности
  • Кривая эффективности
  • Кривая объема
  • Кривая потерь напора
3.2.1.1 Кривые производительности

Кривая производительности описывает зависимость напора и расхода, обеспечиваемого насосом в номинальном режиме работы (при значении Частотного коэффициента равном 1). Напор, создаваемый насосом, отображается по оси Y и измеряется в метрах (футах). Расход отображается по оси Х в единицах расхода.  Кривая производительности должна иметь уменьшающийся напор при увеличивающемся расходе.

В зависимости от количества указанных пар значений, EPANET будет использовать различную форму кривой (см. Рис.3.2).

Кривая по одной точке – определяется единственной парой значений напор-расход, соответствующих рабочей точке насоса.  Для построения кривой EPANET добавляет еще две точки, принимая максимальный напор равным 133% от номинального при нулевом значении расхода, и максимальный расход равным 200% от номинального расхода при нулевом значении напора.

Кривая по трем точкам – определяется тремя парами значений напор-расход,  соответствующих Нижней точке (расход и напор при малом или нулевом расходе),  Рабочей точке (требуемый расход и напор) и Верхней точке (расход и напор при максимальном расходе). EPANET строит кривую по трем точкам с помощью уравнения:

f_3_4

где hG – напор; q – расход; А,B,C – константы.

Кривая по массиву точек определяется двумя или четырьмя и более парами значений напор-расход. В этом случае кривая представляет собой ломаную линию, соединяющую точки кривой.

Для частотно регулируемых насосов, кривая производительности смещается при изменении частоты. Соотношение между расходом (Q) и напором (H) при частотных коэффициентах N1  и N2:

f_3_5

3_2Рис. 3.2 Примеры кривых производительности

3.2.1.2 Кривая эффективности

Кривая эффективности определяет эффективность насоса (ось Y в процентах) как функцию расхода (ось Х в единицах расхода). Пример кривой эффективности показан на Рис.3.3.  Эффективность должна учитывать механические потери  в самом насосе и электрические потери в его двигателе. Кривая используется только при расчете энергопотребления. Если в свойствах насоса не указана кривая эффективности, в расчетах используется значение эффективности по умолчанию.

3_3

Рис. 3.3 Кривая эффективности

3.2.1.3 Кривая объема

Кривая объема определяет объем накопителя (ось Y в куб. метрах или куб. футах) как функцию уровня воды (ось Х в метрах или футах). Этот тип кривых используется, если необходимо точно описать емкость, сечение которой изменяется с высотой. Пример кривой объема приведен на следующем рисунке.

3_4

Рис.3.4 Кривая объема

3.2.1.4 Кривая потерь напора

Кривая потерь напора используется для описания потерь напора (ось Y в метрах или футах) при прохождении потока через задвижку типа ЧОТ, как функции расхода (ось Х в единицах расхода). Она позволяет моделировать устройства и ситуации со специфической зависимостью «потери напора – расход».

3.2.2 Шаблоны (Динамические шаблоны)

Шаблон – совокупность множителей, которые применяются к базовому значению для изменения значения параметра во времени. Например, шаблоны применимы к таким свойствам элементов и трубопроводов, как узловые расходы, напор в резервуарах, расписание работы насоса, качество воды в источниках. Временной интервал (шаг), используемый во всех шаблонах, — величина фиксированная. Шаг шаблона задается в окне Время. Свойства (см. Раздел 8.1). В  границах одного временного интервала (шага) значение управляемого параметра остается постоянным и равно произведению  базового значения на множитель для этого интервала.  Хотя все шаблоны имеют одинаковый шаг, количество шагов в каждом шаблоне может отличаться. Шаблон выполняется циклически в течение всего времени моделирования. При достижении последнего интервала времени в шаблоне, счетчик сбрасывается и следующим выполняется первый интервал.

Для примера рассмотрим использование шаблона применительно к узлу с узловым расходом равным 10 л/мин. Предположим, что шаг шаблона установлен равным 4 часа и в шаблон были введены следующие значения:

tab_3_4_0

Тогда в процессе моделирования фактический узловой расход будет следующим:

tab_3_4_1

3.2.3 Управляющие инструкции

Управляющие инструкции определяют поведение схемы в процессе моделирования. Они могут контролировать состояние трубопроводов, уровни в накопителях, давления в определенных точках сети. Выделяют две категории управляющих инструкций:

  • Выражения.
  • Правила.
3.2.3.1 Выражения

Выражения изменяют состояние или параметр трубопровода в зависимости от:

  • Уровня воды в накопителе.
  • Давления в узле.
  • Времени моделирования.
  • Времени суток.

Выражения имеют один из следующих форматов:

LINK x status IF NODE y ABOVE/BELOW z

LINK x status AT TIME t

LINK x status AT CLOCKTIME c AM/PM

где:

x – имя трубопровода;

status – OPEN (открыто) или CLOSED (закрыто); частотный коэф. насоса или параметр задвижки;

у – имя элемента;

z – давление в узле или уровень воды в накопителе;

t – время, прошедшее с начала моделирования в часах или в формате чч:мм;

c – время суток в 24-часовом формате.

Приведем примеры выражений:

tab_3_4_3

Ограничение на количество выражений не установлено.

Примечание: Уровень в накопителях считается от дна емкости, а не от базовой отметки уровня.

Примечание: Использование двух выражений, открывающих и закрывающих трубопровод по давлению в узле, может привести к дестабилизации системы, если значение давления установлены слишком близко друг к другу. В этом случае используйте Правила.

3.2.3.2 Правила

Правила позволяют управлять состоянием трубопроводов и производных объектов (насосов, задвижек) в зависимости от совокупности условий.

Каждое правило представляет собой совокупность выражений. В данном случае и ниже в этом подразделе термин «выражение» используется не в значении управляющей инструкции, описанной в Разделе 3.2.3.1., а в математическом / программистском значении (как осмысленная фраза, выраженная в виде кода, т.е. набора математических символов, ключевых слов, переменных и т.д.). Итак, правила имеют следующий формат:

RULE имяПравила

IF условие_1

AND  условие_2

OR условие_3

AND условие_4

и т.д.

THEN действие_1

AND действие_2

и т.д.

ELSE действие_3

AND действие_4

и т.д.

PRIORITY приоритет

Где:

  • имяПравила – имя правила, присвоенное пользователем.
  • условие_х – выражение условие
  • действие_х – выражение действия
  • приоритет – выражение приоритета (например число от 1 до 5).

Ключевые слова переводятся так: RULE – правило, IF – если, AND – и, OR – или, THEN – тогда, ELSE – иначе, PRIORITY – приоритет.

I. Формат выражения условия

Выражение условия в правилах имеет следующий формат:

объект имя атрибут отношение значение

где

  • объект – категория элемента схемы.
  • имя – имя объекта.
  • атрибут – атрибут или свойство объекта.
  • отношение – оператор отношения.
  • значение – значение атрибута.

Несколько примеров правил:

  • JUNCTION 23 PRESSURE > 20
  • TANK T200 FILLTIME BELOW 3.5
  • LINK 44 STATUS IS OPEN
  • SYSTEM DEMAND >=1500
  • SYSTEM CLOCKTIME = 7:30 AM

Объект может быть одним из следующих ключевых слов (в скобках дан перевод ключевого слова):

  1. NODE (узел).
  2. JUNCTION (узел – альтернативное название).
  3. RESERVOIR (резервуар).
  4. TANK (накопитель).
  5. LINK (трубопровод – альтернативное название).
  6. PIPE (трубопровод).
  7. PUMP (насос).
  8. VALVE (задвижка).
  9. SYSTEM (система).

Когда в выражении используется ключевое слово SYSTEM, имя объекта не указывается.

Следующие атрибуты используются с ключевыми словами NODE и JUNCTION:

  1. DEMAND (узловой расход).
  2. HEAD (напор).
  3. PRESSURE (давление).

Следующие атрибуты используются с ключевым словом TANK и RESERVOIR:

  1. LEVEL (уровень).
  2. FILLTIME (время в часах, необходимое для наполнения емкости).
  3. DRAINTIME (время в часах, необходимое для опорожнения емкости).

Следующие атрибуты используются с ключевыми словами LINK, PIPE, PUMP, VALVE:

  1. FLOW (расход).
  2. STATUS (состояние – открыт, закрыт, активен).
  3. SETTING (параметр – частота насоса или параметр задвижки).

Следующие атрибуты используются с ключевым словом SYSTEM:

  1. DEMAND (сумма всех узловых расходов в сети).
  2. TIME (время в часах с начала моделирования, выраженное либо десятичной дробью, либо в формат часы: минуты).
  3. CLOCKTIME (время в 12-часовом формате с добавление AM (с 0 часов до 12 часов) и ли PM (с 12 часов до 24 часов)).

В выражениях условия допускаются следующие операторы отношения:

  1. =
  2. IS
  3. <>
  4. NOT
  5. <
  6. BELOW
  7. >
  8. ABOVE
  9. <=
  10. >=

II. Формат выражения действия

объект имя СОСТОЯНИЕ/ПАРАМЕТР IS значение

где:

  • объект равен одному из ключевых слов LINK, PIPE, PUMP, VALVE.
  • имя – имя объекта.
  • значение – состояние (ОТКРЫТО / ЗАКРЫТО), значение частоты вращения насоса или параметра задвижки.

Несколько примеров выражений действия:

  • LINK 23 STATUS IS CLOSED
  • PUMP P100 SETTING IS 1.5
  • VALVE 123 SETTING IS 90

III. Примечания:

  1. Обязательными в правилах являются только части RULE, IF, THEN.
  2. Когда в правиле используются операторы AND (и) и OR (или), оператор OR имеет более высокий приоритет, чем AND. Например:

IF A or B and C            на русском: ЕСЛИ А или B и С

эквивалентно выражению

IF (A or B) and С         на русском: ЕСЛИ (А или B) и С

А если необходимо выразить условие IF A or (B and C), для этого используются два правила:

IF A THEN …                на русском: ЕСЛИ A ТОГДА

IF B and C THEN         на русском: ЕСЛИ В и С ТОГДА

  1. Значение приоритета используется для того чтобы понять, какое правило применять в том случае, когда несколько правил требуют взаимоисключающих действий. Правило без указанного значения приоритета всегда имеет более низкий приоритет, чем правило с указанным значением приоритета. Если два правила имеют одинаковое значение приоритета, выполняется правило, записанное первым.

Приведем несколько примеров правил:

Пример 1:

Остановить (закрыть) насос (трубопровод с насосом) и открыть байпасную линию, когда уровень в накопителе превысит определенное значение и сделать обратное, когда уровень в накопителе опустится ниже другого значения.

RULE 1

IF TANK 1 LEVEL ABOVE 19.1

THEN PUMP 335 STATUS IS CLOSED

AND PIPE 330 STATUS IS OPEN

RULE 2

IF TANK 1 LEVEL BELOW 17.1

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

AND PIPE 330 STATUS IS CLOSED

Пример 2:

Этот набор правил изменяет контрольный уровень в накопителе, при котором насос включается в зависимости от времени суток.

RULE 3

IF SYSTEM CLOCKTIME >= 8 AM

AND SYSTEM CLOCKTIME < 6 AM

AND TANK 1 LEVEL BELOW 12

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

RULE 4

IF SYSTEM CLOCKTIME >=6 AM

OR SYSTEM CLOCKTIME < 8 AM

AND TANK 1 LEVEL BELOW 14

THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

3.3 Гидравлическое моделирование

В процессе гидравлического моделирования для каждого временного интервала EPANET рассчитывает напор в узлах и расход в трубопроводах для набора фиксированных значений уровней в резервуарах, накопителях, узловых расходов. При переходе к следующему временному интервалу EPANET обновляет значения уровней в резервуарах и узловые расходы в соответствии с назначенными им шаблонами; уровень воды в накопителях обновляется с использованием результатов текущего шага моделирования. Расчет напоров и расходов в определенный момент времени включает в себя одновременное решение уравнений сохранения вещества и энергии в узлах и уравнений потерь напора в трубопроводах. Этот процесс называется балансировкой сети и фактически  представляет собой алгоритм решения системы нелинейных уравнений с помощью градиентного алгоритма. Подробнее численные методы рассматриваются в Приложении В.

Шаг гидравлического моделирования устанавливается пользователем. Типичное значение – 1 час. Тем не менее, программа автоматически уменьшит шаг при наступлении одного из следующих условий:

  • Наступил момент вывода отчета в соответствии с параметром Шаг, отчет.
  • Наступил момент изменения значения шаблона в соответствии с параметром Шаг, шаблон.
  • Накопитель оказался пустым или полным.
  • Активировано выражение или правило.

3.4 Моделирование качества воды

При моделировании качества воды EPANET динамически отслеживает дискретные порции воды в процессе их движения по трубам и перемешивания в узлах в каждый из временных интервалов.  Обычно эти интервалы времени значительно короче, чем шаг моделирования гидравлических процессов (напр., минуты вместо часов), что позволяет учесть малое время пребывания воды в трубопроводах.

EPANET отслеживает концентрацию вещества и объем в массиве непересекающихся порций воды, вместе составляющих весь объем воды в водораспределительной сети. В процессе моделирования объем первой (ближайшей к входу) порции в трубопроводе увеличивается по мере поступления воды в трубопровод, в то время как  объем последней (ближайшей к выходу) порции воды в трубопроводе уменьшается, теряя эквивалентное количество воды. Размер внутренних порций воды остается постоянным.

В рамках каждого временного интервала рассчитывается изменение концентрации вещества в каждой из порций воды за счет протекания реакции; отслеживается баланс потоков, поступающих и отводимых из каждого элемента сети. Далее с учетом поступления воды из внешних источников рассчитываются новые концентрации в элементах сети. При расчете концентрации вещества в накопителях принимается во внимания режим перемешивания. При условии, что изменение концентрации вещества в начальном элементе трубопровода больше, чем значение параметра Сходимость, качество воды, указанное в настройках программы, в начале каждого трубопровода создается новая порция воды, принимающая воду из элемента (узла, накопителя и т.п.).

Изначально каждый трубопровод в сети состоит из одной порции воды, занимающей весь объем трубопровода. Качество воды в ней равно качеству воды в элементе, из которого берет начало трубопровод. Если направление потока в трубопроводе меняется на обратное, порядок следования порций воды также меняется на обратный.

3.4.1 Режим перемешивания в накопителях

EPANET использует один из четырех режимов перемешивания воды в накопителях (см. Рис. 3.5):

  • Смеситель.
  • 2 зоны.
  • Вытеснитель.
  • Стек.

Каждый из накопителей в сети может иметь свой режим перемешивания.

3_5

Рис.3.5 Режимы перемешивания воды

Режим Смеситель (Рис.3.5(А)) предполагает, что поступающая вода мгновенно и полностью перемешивается с водой, находящейся в накопителе. Это простейшая модель перемешивания, не требующая от пользователя ввода дополнительных параметров.

Режим 2 зоны (Рис.3.5(Б)) разделяет доступный объем накопителя на две зоны, каждая из которых является смесителем. Все трубопроводы соединены с первой зоной (Зоной входа-выхода). Новые порции воды, поступающие в накопитель, смешиваются с водой, находящейся в первой зоне. Если объем этой зоны достиг максимального значения, тогда через виртуальный перелив избыток воды из первой зоны подается во вторую зону (Основную зону), смешиваясь с ее содержимым. Вода отводится из первой зоны. При этом объем ее уменьшается и пополняется эквивалентным объемом воды из второй зоны. Первая зона позволяет моделировать проскок поступающих порций воды в отводящие трубопроводы,  вторая зона моделирует мертвые зоны в емкостях. Дополнительно пользователь должен указать объем первой зоны, как долю общего объема накопителя.

Режим Вытеснитель (Рис.3.5(В)) предполагает, что в накопителе полностью отсутствует смешение между поступающими порциями воды. Порции воды продвигаются по накопителю строго друг за другом, причем гарантируется, что порция воды, поступившая первой в накопитель, выйдет из него также первой. Физически этот режим наиболее применим для емкостей, состоящих из большого количества последовательно соединенных зон, причем подвод воды осуществляется в первую зону, а отвод воды организован из последней зоны. При выборе этого режима пользователю не требуется указывать дополнительные параметры.

Режим Стек (Рис.3.5(Г)) также предполагает, что перемешивание между отдельными порциями воды отсутствует. Однако, в отличие от режима Вытеснитель порции воды, поступившие в накопитель первыми, выйдут из него последними. Этот режим позволяет описать вертикальные узкие и высокие резервуары, где и подвод, и отвод воды находится с одной стороны (или снизу, или сверху) и расход воды недостаточно велик для того, чтобы организовать интенсивное перемешивание в накопителе.

3.4.2 Реакции

EPANET позволяет моделировать изменение концентрации вещества в результате реакций. Для этого программе необходимо знать скорость реакции и характер зависимости этой скорости от концентрации вещества в системе. Реакции подразделяются на объемные (протекают в толще воды) и поверхностные (локализованы на стенах трубопроводов). Эти механизмы изображены на Рис.3.6. В этом примере свободный хлор (HOCl) одновременно принимает участие в двух процессах:

  • Реагирует в объеме с природными органическими веществами (NOM);
  • Транспортируется через пограничный слой к стенам трубопровода и окисляет ион железа (Fe), высвобождаемый в процессе коррозии стен трубопровода.

Объемные реакции также протекают в накопителях. EPANET позволяет пользователю моделировать реакции в этих двух зонах отдельно.

3_6Рис.3.6 Зоны реакции в трубопроводе

3.4.2.1 Объемные реакции

EPANET моделирует объемные реакции с помощью кинетического уравнения n-го порядка, где зависимость мгновенной скорости реакции (R, измеряемая как масса/объем/время) от концентрации описывается следующей зависимостью:

f_3_6

Где Kb – коэффициент объемной реакции, C – концентрация вещества (масса/объем), n – порядок реакции. Коэффициент Kb измеряется как концентрация в степени (1-n), разделенная на время.  Этот коэффициент положителен для реакций роста и отрицателен для реакций распада.

EPANET также позволяет моделировать реакции с ограничением роста/распада. В этом случае реакции описываются следующими зависимостями:

f_3_7

где CL – лимитирующая концентрация.  Таким образом, объемные реакции определяются тремя параметрами (Kb, CL, n). Ниже приведены несколько примеров реакций:

tab_3_4_4

Значение коэффициента Kb для реакций первого порядка может быть определено путем помещения пробы воды в несколько сосудов с инертными стенками и анализа состава воды в каждом из сосудов в разные моменты времени. Если реакция имеет первый порядок, то график зависимости натурального логарифма отношения (Ct/Co)  от времени должен быть прямой линией, где Ct – концентрация в момент времени t, Co – начальная концентрация. Значение коэффициента Kb соответствует наклону прямой.

При повышении температуры значение коэффициентов объемной реакции обычно увеличивается. Выполнив вышеуказанную процедуру оценки Kb для различных температур, можно получить более точную оценку зависимости значения Kb от температуры.

3.4.2.2 Поверхностные реакции

Зависимость скорости поверхностных реакций от концентрации вещества в объеме воды определяется следующим выражением:

f_3_8

где Kw – коэффициент поверхностной реакции и (A/V) –площадь поверхности стенки на единицу внутреннего объема трубопровода. Параметр (A/V) преобразует значение массы, относящейся к единице площади трубопровода, к массе, относящейся к единице объема. Поверхностные реакции в EPANET могут иметь нулевой или первый порядок, поэтому коэффициент Kw соответственно измеряется или как масса/площадь/время, или как длина/время. Значение Kw должно быть введено пользователем. Значения Kw при первом порядке реакции могут лежать в диапазоне от 0 до 1,5 м/сут.

Kw должен учитывать любые ограничения по массопереносу и движению исходных веществ и продуктов реакции в объеме воды и на поверхности стен трубопроводов. Алгоритм учета этих факторов в EPANET основан на значениях коэффициента диффузии и числа Рейнольдса. Более подробно этот вопрос рассмотрен в Приложении В. Если значение коэффициента диффузии равно нулю, то условия массопереноса игнорируются.

Коэффициент поверхностной реакции может зависеть от температуры, а также от возраста трубопровода и его материала. Известно, что при старении металлических трубопроводов, увеличивается шероховатость их стен. Увеличение шероховатости приведет к снижению коэффициента С в формуле Хазена-Вильямса или к увеличению коэффициента шероховатости в формуле Дарси-Вайсбаха, что, в свою очередь, приведет к увеличению потерь напора по длине.

Также отмечено, что увеличение шероховатости стен трубопрповода в процессе старения приводит к увеличению реакционной способности его стен с некоторыми химическими соединениями, в частности, хлором и другими обеззараживающими веществами. EPANET может моделировать зависимость коэффициента Kw от шероховатости стен трубопровода. В зависимости от формулы расчета потерь напора, используются следующие функции:

tab_3_4_5

где C – коэффициент С в формуле Хазена-Вильямса, e – шероховатость в формуле Дарси-Вайсбаха, d – диаметр трубопровода, n – коэффициент шероховатости Маннинга, F – коэффициент зависимости поверхностной реакции от шероховатости трубопровода. Коэффициент F должен быть определен опытным путем и будет иметь различный физический смысл в зависимости от используемой формулы расчета потерь напора. Преимущество этого подхода состоит в том, что он требует ввода единственного параметра, F , для реализации физически осмысленной модели определения коэффициента  поверхностной реакции во всей водораспределительной сети.

3.4.3 Гидравлическое время пребывания и метки

Помимо химических реакций, EPANET позволяет моделировать гидравлическое время пребывания (ГВП) воды в водораспределительной сети.  ГВП – время, проведенное порцией воды в сети. Новые порции воды, поступающие в сеть из резервуаров или источников, имеют нулевое значение ГВП. ГВП является простым и неспецифичным индикатором качества питьевой воды. При моделировании EPANET считает ГВП реактивным веществом, имеющим нулевой порядок реакции с коэффициентом реакции равным 1 (т.е. каждую секунду порция воды становится «старше» на одну секунду).

EPANET позволяет моделировать распространение метки в водораспределительной сети. EPANET динамически отслеживает, какой процент воды, достигшей каждого из элементов сети, имеет в качестве источника определенный элемент. Источником метки может быть любой элемент сети, включая резервуары и накопители. При моделировании EPANET считает, что через источник меток в систему поступает нереактивное вещество с концентрацией 100. Моделирование движения меток – полезный инструмент при анализе водораспределительных сетей, в которых вода поступает из двух или более источников. Моделирование меток позволяет выяснить, в какой степени вода из определенного источника смешивается с водой из других источников в сети, и как изменяется это распределение с течением времени.