WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Уравнение (5) известно как дифференциальное уравнение ЭйнштейнаКолмогорова. В нашем случае это уравнение описывает продольную диффузию примеси в открытом канале.

Для отыскания единственного решения уравнения (5) необходимо определить начальные и граничные условия. Начальное условие должно состоять в задании средней концентрации примеси в начальный (s,t) момент времени t = 0. В задачах подобного типа обычно считают, что канал полубесконечен, а продольная координата изменяется в пределах 0 s.

Таким образом, краевая задача для полубесконечного канала состоит в отыскании решения уравнения (5) в области 0 s < ; t 0, удовлетворяющего условиям:

(6) (s,0) = (s);

(7) (0,t) = µ (t), где (s), µ (t) – заданные функции.

Совокупность дифференциального уравнения (5), начальных и граничных условий (6), (7) является математической моделью процесса распространения примеси в мелиоративном канале.

В большинстве случаев средняя скорость движения воды в мелиоративных каналах, как магистральных, распределительных, так и оросительных является относительно малой величиной (V << 1). Малые скорости течения являются одной из причин размножения синих водорослей («цветения» воды). Поэтому будем считать далее среднюю скорость движения воды V малым параметром. Следуя общепринятой методике решения задач о малых возмущениях, будем искать решение задачи (5) – (7) в виде асимптотического разложения:

= + V + V +..., (8) 0 1 где V – малый параметр.

Подставляя разложение (8) в уравнение Эйнштейна-Колмогорова (5) и граничные условия (6) - (7), получим:

• краевая задача для нулевого приближения 0 (9) = D + ;

t s2 (s, 0) = (s);

(10) (0,t) = µ (t). (11) • краевые задачи для последующих приближений j j = D -9 j- 1;

t s s(12) (13) (s, 0) = 0;

j, j = 1, 2, ….

(0,t) = j (14) Решение краевой задачи (9) - (11) для неоднородного уравнения диффузии имеет вид:

= u1(s,t) + u2 (s,t) + u3(s,t), (15) где 2 1 (s - ) (s + ) u1(s, t) = exp[- 4Dt ]- exp[- 4Dt ] ( )d D t 2 (16) D t s s u2 (s, t) = exp[- ]µ ( )d, (17) 4D(t - ) 0[D(t - )]3 / t 1 u3 (s, t) = E(s, t,, ) d, (18) 0d 2 D(t - ) 0 2 (s - ) (s + ) E(s, t,, ) = exp[- ] - exp[- ].

4D (t - ) 4D (t - ) Формулы (15) – (18) дают самый общий вид решения краевой задачи (9) – (11), описывающего продольную диффузию примеси в нулевом приближении. В зависимости от конкретного вида функций (s), (t) и Ф(s) решение можно значительно упростить.

Решение однородной краевой задачи (12) - (14) можно записать в виде рекуррентного соотношения:

t j- (s, t) = - E(s,t,, ) d d j 2 s D(t - ), (19) j = 1, 2, ….

В частности, коэффициент 1- го приближения принимает вид:

t 1 E (s,t) = - d d. (20) 2 s D(t - ) 0 Асимптотическая оценка величины (s, t) при t, s - фиксировано, и s, t - фиксировано дает (s, t) 0, следовательно, (s, t) (s, t) + O(V 2), (21) где (s, t) определяется зависимостями (15) - (18).

На основе решения (21) были рассмотрены частные случаи диффузии для практически важных случаев, встречающихся при эксплуатации гидромелиоративных каналов, и проведены многочисленные вычислительные эксперименты при различных значениях параметров потока.

Некоторые результаты представлены на рисунках 2, 3. На этих рисунках представлены также опытные данные Элдера и Фишера, свидетельствующие о достаточно хорошем совпадении расчетных и натурных результатов.

Рисунок 2 – Изменение концентрации примеси в створах при µ = 5 кг/м3, D = 1 м2/с Рисунок 3 – Изменение концентрации примеси вдоль канала при µ = 1 кг/м3, D = 1 м2/с В третьей главе «Разработка технического предложения по механической очистке оросительной воды» разработана конструкция устройства для механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения. Устройство защищено патентом Российской Федерации на полезную модель и предназначено для сбора растительного мусора с поверхности воды. Оно может применяться как для очистки оросительных каналов, так и на реках и озерах.

В настоящее время достаточно хорошо зарекомендовал себя способ очистки оросительной воды, основанный на создании эффекта искусственной поперечной циркуляции с помощью воздушно-пузырьковой и гидроструйной завес.

При взаимодействии эрлифтного течения воздушно-пузырьковой завесы или затопленных струй гидроструйной установки и транзитного потока возникает сложное течение с положительной (отрицательной) поперечной циркуляцией, которое перемещает сорные включения к поверхности потока и к левой (правой) по течению берме канала. Всплывший из толщи воды мусор переносится транзитным потоком вниз по течению и с помощью отбойников направляется отводной канал или в мусоросборник.

Однако дальнейшая очистка отводных каналов, мусоросборников и водозаборов насосных станций производится с минимальными средствами механизации, а утилизация растительных наносов практически не проводится, приводя к загрязнению территорий вблизи насосных станций и водозаборов.

На рисунке 4 схематично изображено устройство активной механической очистки оросительной воды от мусора и водорослей на оросительных каналах и водозаборах насосных станций.

Устройство включает два поплавка - 1, которые закреплены между собой жестко рамой - 2, на одном из которых размещены емкость - 3 для сбора мусора, транспортерная лента - 4 и лоток - 5.

На втором поплавке расположены двигатель - 6, бак для топлива - 7 и рулевой механизм - 8.

Рисунок 4 – Схема плавающего устройства механической очистки оросительной воды При запуске двигателя 6, приводится в движение гребное колесо 11, за счёт чего всё устройство начинает перемещаться в нужном направлении с помощью рулевого механизма 8, захватывая лотком 5 плавающий на поверхности воды мусор. За счёт ремённой передачи 12, которая соединена с валом 10, посредствам шестерен 14, одновременно с гребным колесом приводится в движение транспортёрная лента 4, которая вращается в противоположную сторону относительно вращения вала 10. С помощью транспортёрной ленты 4 мусор поступает в ёмкость 3, вода выходит через отверстия 13. Мусор накапливается в мусоросборнике и при наполнении, его снимают и опорожняют.

Сопротивление воды при движении устройства механической очистки оросительной воды непосредственно связано с проявлением физических свойств жидкости, из которых наиболее существенную роль играют вязкость и плотность воды.

Сопротивление трения R обусловлено действием сил вязкости воды, f а в образовании сопротивления давления R принимают участие и силы p тяжести.

Соотношение между данными видами сопротивлений зависит от скорости хода. При невысоких скоростях сопротивление давления невелико и основную роль играет трение; при высокой скорости сопротивление давления приобретает значение главной составляющей сопротивления воды.

С учетом назначения устройства основной составляющей сопротивления будет являться сопротивление трения.

Сопротивление трения, технически гладкой пластины, обтекаемой турбулентным потоком, может быть вычислено по следующей формуле :

Vу Rf = C (22) f где C – безразмерный коэффициент турбулентного трения;

f - плотность воды кг/м3;

V – скорость движения пластины (корабля) в м/с;

у - смоченная поверхность в м2.

Входящий в формулу (22) коэффициент C находится по эмпирическим f формулам в зависимости от числа Рейнольдса.

Сопротивление трения с учетом влияния шероховатости наружной обшивки может быть вычислено по следующей формуле:

Vу Rf = (C + C ). (23) f f Зависимость сопротивления воды от скорости движения плавающего устройства по формуле (23) представлена на рисунке 5.

На основе графика 5 расчетами установлено, что для перемещения устройства активной механической очистки оросительной воды по водной поверхности необходим двигатель мощностью 1,2…2,5 кВт. В качестве такого двигателя можно рекомендовать серийно выпускаемый двигатель внутреннего сгорания Force -28 (Рисунок 6).

Rf, Н 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V,км/ч Рисунок 5 – Сопротивление воды в зависимости от скорости плавающего устройства Рисунок 6 – Двигатель внутреннего сгорания Force -В четвертой главе «Утилизация водорослевой массы для удобрения для сельскохозяйственных культур» рассмотрена проблема утилизации растительной массы, извлеченной из оросительной воды. В течение поливного сезона из оросительных каналов её добывают тоннами, и зачастую она становятся «мусором» для территорий насосных и водоочистных станций. В настоящее время при усиливающемся антропогенном воздействии на агросистемы все большее значение приобретают приемы биологизации земледелия. Главное преимущество применения органических удобрений – возможность получения чистой продукции и защита от загрязнения окружающей среды.

Проведенный анализ показал, что водорослевая масса по своей органической питательности не уступает наиболее распространённым органическим удобрениям, таким как навоз и «зеленое удобрение» (рисунки 7, 8). Собранная в период «цветения» водорослевая масса может быть использована в качестве органического удобрения под сельскохозяйственные культуры.

Рисунок 7 - Сравнительная характеристика питательных веществ планктона и сена Рисунок 8 - Химический состав водорослей и навоза Учитывая, что массу водорослей в большом количестве можно получить в конце лета, когда большинство растений уже заканчивает свою вегетацию, использование водорослевых удобрений в широких масштабах может быть осуществлено в первую очередь под озимые и овощные культуры.

Внесение свежесобранной водорослевой массы, может привести к увеличению количества сорняков, поэтому в зависимости от срочности использования удобрения и достижения требуемого качества возможно компостирование, которое может быть произведено аэробным или анаэробным способом.

Вывоз водорослевой массы с территорий насосных станций возможен с помощью самосвалов, загрузка которых может производиться с помощью грейферных погрузчиков.

Исследования показали, что при использовании самой разнообразной водорослевой массы (сухой, жидкой, свежесобранной, перегнившей), а также способов внесения, не отмечено отрицательного влияния на жизнедеятельность растений и получены прибавки урожая.

Анализ вышесказанного дает основание рекомендовать хозяйствам, расположенным вблизи водохранилищ, водозаборов насосных станций, использовать водорослевую массу в качестве органического удобрения.

В пятой главе «Экономическая оценка разработанного устройства активной механической очистки оросительной воды» рассчитан экономический эффект от внедрения разработанного устройства активной механической очистки оросительной воды. При систематической и качественной очистке оросительной воды эффект достигается за счет двух основных факторов:

1. Снижаются нарушения по регулярности поливов, которые обычно обусловлены засорением растительными включениями водозаборных сооружений насосных станций. Вследствии чего повышается урожайность сельскохозяйственных культур.

Экономический эффект от повышения урожайности определяется по формуле:

Э = ( Ц – Ц ) · W, ( 2 4 ) 1 2 где Ц – объем производства продукции в стоимостном выражении в закупочных ценах с 1 га площади орошения без применения разработанных устройств очистки оросительной воды, руб.

Ц - объем производства продукции в стоимостном выражении в закупочных ценах с 1 га площади орошения при применении разработанного устройства очистки оросительной воды, руб.

W – обслуживаемая площадь насосной станцией, №11 АО «Энгельсское» 500 га.

Э = (71406,4-62092,5) ·500=4656938 руб.

2. Снизятся затраты на электроэнергию за счет улучшения эксплуатационных режимов работы водозаборных сооружений, а соответственно и насосных агрегатов.

Эффект от снижения затрат на перерасход электроэнергии будет составлять:

Э = 1,67·995328 = 1662198 руб.

Проведя расчеты, было установлено, что изготовление предлагаемого устройства активной механической очистки оросительной воды и его эксплуатация потребует капитальные вложения в среднем 250 тыс. руб.

Э =Э +Э -Э = 4656938+1662198 –250000 = 6069136руб.

эфф. 1 2 Экономический эффект от применения разработанного устройства активной механической очистки оросительной воды от мусора и водорослей составляет 12138,2 руб. на 1 га орошаемой площади.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ современных технических средств и способов очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций показал, что основной причиной низкой эффективности работы насосных станций является изношенность оборудования и сильная засоренность оросительной воды мусором растительного происхождения. Оросительная вода является благоприятной средой обитания водорослей в силу относительно малых глубин и скоростей течения в оросительных каналах в связи с резким сокращением площади орошаемых земель.

2. На основе уравнения диффузии была разработана методика использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале.

3. На основе разработанной методики и с помощью ЭВМ были проведены вычислительные эксперименты на основе которых был составлен регламент по планированию очистных работ отводных каналов и водозаборов Энгельсской и Приволжской оросительных систем.

4. Сравнительным анализом были выявлены недостатки устройств очистки оросительной воды и разработана конструкция плавающего устройства механической очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения, которое характеризуется простотой конструкции и мобильностью. Устройство защищено патентом Российской Федерации на полезную модель.

5. В связи с проблемой утилизации растительной массы, загрязняющей территории насосных станций, разработано предложение по применению растительного мусора в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур.

6. Экономический эффект от применения разработанного устройства активной механической очистки оросительной воды от мусора и водорослей составляет 12138,2 руб. на 1 га орошаемой площади.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 1. Прогнозирование органического загрязнения в мелиоративных каналах оросительных систем Поволжья рекомендуется проводить по разработанной методике использования математической модели процесса распространения органических примесей в мелиоративном канале.

2. При проведении мероприятий по очистке водозаборов насосных станций от мусора растительного происхождения рекомендуется использовать плавающее устройство активной механической очистки оросительной воды.

3. Водорослевую массу, извлеченную из оросительной воды, целесообразно использовать в качестве органического удобрения либо непосредственно, либо после компостирования.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»