Ứng dụng phần mềm Pipe Flow Expert trong thiết kế mạng lưới cấp nước

Nguyễn Minh Ngọc Ứng dụng phần mềm Pipe Flow Expert trong thiết kế mạng lưới cấp nước Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn Cấp nước – Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô thị Trường đại học Kiến Trúc Hà Nội minhngoc3279@gmail.com Tóm tắt: Bài báo trình bày mô hình hóa và ứng dụng tiên tiến thuận lợi trong thiết kế mạng lưới cấp nước, đó là phần mềm Pipe Flow Expert, phần mềm này giúp thực hiện các dự án thiết kế mạng lưới cấp nước với hiệu suất cao và chi phí thấp. Trong thiết kế mạng lưới cấp nước, tính toán lựa chọn đường ống đóng vai trò quan trọng, chi phí cho đường ống có thể chiếm tới 80% giá thành của hệ thống. Do vậy, tính toán thủy lực để xác định kích thước đường ống theo yêu cầu áp lực là một bài toán quan trọng cần được giải quyết trước khi thể hiện bản vẽ thiết kế của một mạng lưới cấp nước. Phần mềm Pipe Flow Expert cho phép phân tích tất cả yếu tố tác động tới dòng chảy trong mạng lưới cấp nước, gồm có nhiệt độ, loại chất lỏng, kích thước thực của đường ống .... từ đó cho phép tính toán thủy lực được chính xác hơn, đồng thời hỗ trợ các báo cáo về bố cục, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của mạng lưới. Đặc biệt phần mềm này nổi bật hơn các phần mềm khác là có thể mô phỏng được mạng lưới cấp nước dưới dạng 3D, mô phỏng thiết kế mạng lưới cấp nước trong nhà và hệ thống cứu hỏa của các tòa nhà. Từ khóa: Mạng lưới đường ống, Pipe Flow Expert, mạng cấp nước trong nhà, mạng cứu hỏa. 1 Mở đầu Chức năng chính của mạng lưới cấp nước là cung cấp đủ nước và áp lực cho người tiêu dùng, ngày nay các công ty cung cấp nước sạch cố gắng tìm kiếm phương pháp để đạt được mục tiêu đó theo cách có hiệu quả nhất. Để đảm bảo hoạt động tối ưu của một mạng lưới cấp nước đòi hỏi phải có thiết kế hợp lý và phương án tính toán chính xác, nhanh chóng, tiện lợi. Những năm trước đây, việc tính toán mạng lưới cấp nước thường áp dụng phương pháp thủ công của Lobachep, Hardy Cross, Anđriasép (1930), N.N Abramop (1965). Nhưng từ năm 1985 trở lại đây, nhờ sự tiến bộ của công nghệ thông tin nên các phương pháp truyền thống được phát triển thành các chương trình phần mềm tính toán, kiểm tra và mô phỏng chế độ thuỷ lực trong mạng lưới cấp nước, đồng thời các thuật toán phân tích cũng ngày càng trở nên phức tạp hơn, phương pháp mô phỏng tiến gần hơn tới trạng thái chảy trong thực tế. Hiện nay, có rất nhiều mô hình tính toán thủy lực mạng lưới cấp, như phần mềm tính toán thủy lực độc lập (Loop; Epanet của EPA – Mỹ; Pipe flow Expert của DaxeSoft – Anh; WaterCad của Bently – Mỹ; Mike Net của DHI – Đan Mạch) và phần mềm tính toán trên nền cơ sở dữ liệu của phần mềm khác (WaterCad sử dụng trên nền autocad; WaterGem của Bently, Mike Urban của DHI đều sử dụng số liệu nền hệ thống GIS)[1]. Mỗi mô hình đều có ưu điểm, nhược điểm riêng, nên khi áp dụng vào nghiên cứu, tính toán thiết kế công trình mạng lưới cấp nước, đòi hỏi người kỹ sư phải lựa chọn phương án tính toán và phương pháp mô phỏng phù hợp. 117 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC Phần mềm Pipe Flow Expert được lựa chọn nghiên cứu, cũng nằm trong mục tiêu nghiên cứu và giảng dạy cho sinh viên ngành Cấp thoát nước – Trường ĐH Kiến Trúc Hà Nội, vì nó có một số ưu điểm mà các phần mềm khác không có hoặc không thể hiện được, như mô phỏng mạng lưới kiểu 3D, mô phỏng hệ thống mạng lưới cấp nước trong nhà Đến nay, Bộ môn Cấp nước đã áp dụng phần mềm này vào nghiên cứu, giảng dạy cho sinh viên trong học tập và ứng dụng thực hiện đồ án tốt nghiệp chuyên ngành [1]. 2 Giới thiệu về phần mềm 2.1 Đặc điểm của phần mềm Pipe flow Expert Trong nghiên cứu này, phần mềm tính toán thủy lực Pipe Flow Expert được lựa chọn để nghiên cứu có những ưu điểm sau: - Giao diện trực quan, các đơn vị, thành phần hệ thống mạng lưới cấp nước, dữ liệu nhập trực tiếp theo đối tượng. - Phương pháp tính toán, điều chỉnh mạng lưới vòng phù hợp thực tế. - Phần mềm có thể mô phỏng mạng lưới cấp nước theo dạng 3D, dễ nhìn nhận và phân tích các quá trình bố trí hệ thống đường ống cấp nước tại các vị trí giao nhau hoặc các điểm trên cao. - Có thể áp dụng phần mềm này cho tính toán thuỷ lực với nhiều bài toán chuyên ngành cấp nước khác nhau mà các phần mềm khác không thực hiện được. - Trong tính toán tổn thất dọc đường, phần mềm này áp dụng công thức tính của Darcy với hệ số tổn thất tính theo các trường hợp trạng thái chảy khác nhau và với mọi điều kiện về vận tốc dòng chảy, điều này phù hợp với thực tế khí hậu Việt Nam (nhiệt độ trung bình của Việt Nam từ 22oC đến 27oC)[1]. Trong khi đó, các phần mềm khác thường sử dụng công thức tính tổn thất của Hazen-William, theo đánh giá công thức này chỉ thích hợp với điều kiện nhiệt độ nhỏ hơn 60oF (tương đương 15oC) và vận tốc nhỏ hơn 3m/s [4, 5, 6]. 2.2 Giao diện mô phỏng của phần mềm Pipe flow Expert Giao diện phần mềm được thể hiện với các vùng chức năng như sau: Hình 1. Giao diện tính toán phần mềm Pipe Flow Expert [4] 118 Nguyễn Minh Ngọc 1: Thao thác tập tin (mở file, lưu) 6: Vùng bản vẽ mô phỏng mạng lưới 2: Đơn vị thông số phần mềm 7: Trạng thái chất lỏng tính toán 3: Chạy phần mềm tính toán thủy lực 8: Thông số bể chứa 4: Các thiết bị trên mạng lưới cấp nước 9: Thông số đường ống 5: Thao tác cắt, xóa 2.3 Phạm vi ứng dụng của mô hình pipe flow expert Mô hình pipe flow expert có khả năng tính toán thủy lực cho các loại công trình sau: 2.3.1 Mô phỏng tính toán mạng lưới cấp nước trong đô thị Phần mềm Pipe Flow Expert trợ giúp trong việc mô phỏng mạng lưới cấp nước dưới dạng 2D hoặc mô phỏng 3D trên nền 2D (hình 2). Mô phỏng đầy đủ các điều kiện địa hình, cao độ của nút, lưu lượng dòng chảy yêu cầu. Hình 2. Hệ thống cấp nước Hình 3. Hệ thống cứu hỏatrong nhà 2.3.2 Mô phỏng hệ thống cứu hỏa Phần mềm Pipe Flow Expert mô phỏng hệ thống cấp nước chữa cháy (hình 3), với các yêu cầu cụ thể tại đầu vòi chữa cháy (lưu lượng và cột áp). Bố trí mạng lưới đường ống chữa cháy trực quan theo sơ đồ 3D giúp chúng ta kiểm soát và hình dung, thống kê đầy đủ các chi tiết trong mạng lưới cấp nước chữa cháy. 2.3.3 Cấp nước cho nhà cao tầng Phần mềm Pipe Flow Expert cho phép mô phỏng 3D, các dạng bể chứa, máy bơm, các chi tiết van, vòi, tê từ đó giúp kỹ sư chuyên ngành bố trí đầy đủ mạng lưới cấp nước trong nhà (hình 4). 119 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC Hình 4. Mô phỏng cấp nước nhà 3 tầng Hình 5. Hệ thống tưới nông nghiệp 1.3.4. Cấp nước tưới nông nghiệp theo mạng tuần hoàn Phần mềm Pipe Flow Expert trợ giúp tốt cho mô phỏng hệ thống dàn mưa nhân tạo trong công tác phân phối cấp nước tưới trong nông nghiệp (hình 5). 3 Phân tích bài toán điều chỉnh thuỷ lực mạng lưới vòng Trước khi áp dụng phần mềm, cần chạy bài toán thử để đánh giá sự phù hợp giữa phương pháp tính toán truyền thống và kết quả tính theo mô hình toán thủy lực. Từ đó lấy làm cơ sở thực hiện bài toán tính toán thực tế, vì ở đây là tính toán cho mạng lưới thiết kế mới nên không có số liệu thực nghiệm của mạng lưới nghiên cứu để so sánh với kết quả tính toán của phần mềm. 3.1 Bài toán nghiên cứu Xác định lưu lượng trong các ống và cột áp tại các nút của hệ thống đường ống khép kín (hình 6). Bỏ qua tổn thất cục bộ, biết chiều dài các đoạn ống, đường kính, độ nhám tuyệt đối ống k = 0,06 mm. Cột áp tại A là ZA = 70 m. [3] Bảng 1. Thông số kích thước ống cấp nước Đoạn ống AB BC CD DE EF AF BE Dài l (m) 600 600 200 600 600 200 200 Đường kính d (mm) 250 150 100 150 150 200 100 Hình 6. Mạng cấp nước gồm 2 vòng kín Hình 7. Phân phối lưu lượng dòng chảy Bảng 2. Số liệu tại các nút Nút A B C D E F Cao độ Z (m) 30 25 20 20 22 25 Lưu lượng lấy ra tại nút (l/s) 60 40 30 50 40 A B C DEF 1 2 120 60 50 40 10 30 20 50 60 40 100 10 220 120 Nguyễn Minh Ngọc 3.2 Tính toán bằng thử dần Phân phối lưu lượng sơ bộ trên các ống dẫn như hình 7, thoả mãn điều kiện phương trình liên tục tại các nút (Các giá trị lưu lượng phân phối dòng chảy trong ống được chọn bất kỳ, sao cho thỏa mãn tổng lượng dòng chảy vào nút bằng tổng lượng dòng chảy ra khỏi nút). Tiến hành tính toán thủy lực điều chỉnh mạng lưới vòng bằng phương pháp của Hardy Cross. Phương pháp này thực hiện tính toán theo từng vòng, các vòng được điều chỉnh lẫn nhau. Kết quả tính lặp nhiều lần với điều kiện tổng tổn thất (hL) của 1 vòng kín hL < 0,01m (dòng chảy cùng chiều tính toán thì hL mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm). Kết quả cuối cùng sẽ tính được lưu lượng trên đường ống, tổn thất của đoạn ống và cao trình đo áp tại nút trên mạng lưới cấp nước. Bảng 3. Kết quả phân tích thuỷ lực mạng lưới cấp nước [3] Ống Q (l/s) hL (m) Nút Z (m) AB 131,55 13,70 A 40,0 BE 25,02 19,55 B 31,29 FE 48,45 26,67 C 11,57 AF 88,45 6,59 D 10,05 BC 46,53 24,74 E 14,74 CD 6,55 1,52 F 38,41 ED 23,47 6,69 3.3 Ứng dụng Pipe Flow Expert Nhập dữ liệu, mô phỏng mạng lưới cấp Hình 8. Mô phỏng bài troán trên phần mềm Pipe Flow Expert Hình 9. Kết quả phân tích và tính toán thuỷ lực Bảng 4. Thống kê kết quả tính toán thủy lực theo Pipe Flow Expert [1] ống Lưu lượng Q (l/s) Áp suất đầu ống (m) Áp suất cuối ống (m) h L(m) Nút Cao trình đo áp (m) AB 131.56 40 31.15 13.85 A 70 BC 46.53 31.15 11.25 24.9 B 56.15 CD 6.53 11.25 9.7 1.55 C 31.25 121 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC AF 88.43 40 38.35 6.65 F 63.35 FE 48.43 38.35 14.47 26.88 E 36.47 ED 23.46 14.47 9.7 6.77 D 29.7 BE 25.02 31.15 14.47 19.68 3.4 Phân tích kết quả tính toán Bảng 5. So sánh kết quả tính toán giữa các phương pháp tính Nội dung Tính toán thủ công [3] Pipe flow Expert Sai số (%) Đoạn ống Q (l/s) hL (m) Q (l/s) hL (m) Q (l/s) hL (m) AB 131.55 13.7 131.56 13.85 0.008 1.083 BE 25.02 19.55 25.02 19.68 0.000 0.661 FE 48.45 26.67 48.43 26.88 0.041 0.781 AF 88.45 6.59 88.43 6.65 0.023 0.902 BC 46.53 24.74 46.53 24.9 0.000 0.643 CD 6.55 1.52 6.53 1.55 0.306 1.935 ED 23.47 6.69 23.46 6.77 0.043 1.182 Từ kết quả phân tích bài toán thử với mạng lưới gồm 2 vòng cơ bản, cho thấy: Sai số tính toán < 4%, nên giữa các phương pháp tính toán có sự tương đồng và đảm bảo tính chính xác của kết quả và phương pháp phân tích theo phần mềm Pipe flow Expert. Phương pháp điều chỉnh theo Hardy Cross là điều chỉnh từng vòng, có sự lặp lại, nên thời gian tính toán kéo dài, các bảng tính nhiều, đặc biệt mạng lưới có nhiều vòng trở ngại tính toán sẽ gia tăng, trong khi đó áp dụng phần mềm Pipe flow expert khả năng tính toán nhanh và cho kết quả chính xác hơn. 4 Áp dụng nghiên cứu bài toán thực tế 4.1 Địa điểm áp dụng Thiết kế hệ thống cấp nước Thành phố Pleiku – Gia Lai 4.2 Xây dựng mô hình cấp nước Các bước nghiên cứu: - Vạch tuyến mạng lưới cấp nước. - Phân tích và lựa chọn các yếu tố thuỷ lực của ống. - Xây dựng mô hình mạng lưới trên Pipe Flow expert. - Chạy và hiệu chỉnh kết quả. 122 Nguyễn Minh Ngọc Hình 6. Mô phỏng thiết kế hệ thống cấp nước TP LeiKu [2] Hình 7. Kết quả phân tích, tính toán của mạng lưới cấp nước TP PleiKu Sau khi mô phỏng mạng lưới cấp nước, tiến hành chạy phần mềm bằng công cụ CALCULATE và xuất ra các kết quả dữ liệu với đuôi .pdf (hình 7). Các kết quả chạy phần mềm cho ta số liệu về: - Kết quả tính toán thủy lực tại ống. - Kết quả tính toán thủy lực tại nút. - Kết quả tính toán bơm, gồm cả tính toán tiêu thụ năng lượng. Sau khi có kết quả tính toán thủy lực, kết quả này được sử dụng để thiết lập các bản vẽ thiết kế kỹ thuật, thiết kế thi công đối với mạng lưới cấp nước. 5 Kết luận Sử dụng phần mềm Pipe flow expert trong nghiên cứu tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước, nhận thấy: - Kết quả tính toán thuỷ lực thiết kế mạng lưới cấp nước, đã phân tích được quá trình dòng chảy trong ống, tổn thất và tiêu thụ năng lượng, giúp cho các nhà hoạch định xác định chi phí quản lý và quản lý tối ưu mạng lưới cấp nước đô thị. - Phần mềm phân tích chi tiết các các nhu cầu nước, áp lực, các thiết bị trên đường ống và đặc biệt khi tính toán phải lựa chọn kích thước đường ống theo thực tế sản xuất (Tính thủy lực theo kích thước đường ống bên trong). Điều này giúp phân tích thủy lực một cách rõ ràng hơn. - Phần mềm có thể tính toán thủy lực cho nhiều loại chất lỏng khác nhau. - Điều kiện khí hậu được áp dụng triệt để trong tính toán, giúp phân tích bài toán sát thực tế từng vùng, miền khác nhau. - Phần mềm có thể mô phỏng hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng, mô phỏng 3D giúp các điểm nút có đường ống giao nhau phức tạp trở nên rõ ràng, tính toán cấp nước phòng cháy chữa cháy nhà cao tầng, cấp nước tưới trong nông nghiệp ... - Phần mềm áp dụng tốt cho điều kiện tại Việt Nam, nếu kết hợp với hệ thống phần mềm GIS, thì có thể hỗ trợ tốt trong hoạt động quản lý công trình mạng lưới cấp nước đô thị. Phần mềm còn rất nhiều phương hướng phân tích nghiên cứu đi sâu. 123 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Minh Ngọc, Vũ Văn Hiểu, Nguyễn Minh Hằng, Nguyễn Bích Ngọc: Đề tài NCKH “Ứng dụng phần mềm pipe flow expert trong tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước”, Trường ĐH Kiến Trúc Hà Nội, năm 2015 – 2016. 2. Vũ Văn Hiểu, Nguyễn Tuấn Tùng: Đồ án “Thiết kế hệ thống cấp nước thành phố Pleiku – Tỉnh Gia Lai”, Hà Nội (2011). 3. R.E FeatheaStone, C. Nalluri: Civil Engineering Hydraulics, 3th Editon, Blackwell science ltd (1995). 4. Daxesoft Ltd. Pipe flow expert User guide (2012). 5. Kim, Tae-Kyoungi; Rhee, Kyoung-Hoon; Sun, Byoung-Jin; Chio, Cheong-Ho: A Study on Comparison of the Darcy-Weisbach and Hazen-Williams Equation. Journal of Korean Society of Water and Wastewater. Volume 21, Issue 4, pp.421-428 (2007). 6. Quentin B. Travis, M.ASCE1; and Larry W. Mays, F.ASCE: Relationship between Hazen–William and Colebrook–White Roughness Values. Journal of Hydraulic Engineering. November (2007). 124