InfoWorks WS Pro enthält eine Simulationsoption, die die Erstellung zusätzlicher Ergebnisse ermöglicht, die als Indikator für potenzielle Problembereiche aufgrund von transienten Drücken verwendet werden können.
Um diese Option zu aktivieren, aktivieren Sie im Dialogfeld Simulationsoptionen die Option Hinweise zu hydraulischen Transienten.
In diesem Thema werden die Mechanismen der Druckwellenausbreitung und die von InfoWorks WS Pro durchgeführten Berechnungen erläutert.
Die Transientenanalyse ist ein hochkomplexes Thema, das Fachwissen und entsprechende Software erfordert.
Die von InfoWorks WS Pro mit dem Transientenratgeber generierten Ergebnisse liefern eine qualitative Abschätzung potenzieller Problembereiche aufgrund von transienten Drücken, die Sie möglicherweise weiter untersuchen möchten. Um eine detaillierte Analyse der Transienten durchzuführen, sollte eine transiente Systemsimulation ausgeführt werden.
Hydraulische Transienten
Hydraulische Transienten (auch bekannt als Wasserschlag oder Druckschlag) sind Druckschwankungen, die durch Änderungen der Fluidgeschwindigkeit verursacht werden.
Zu den Ursachen für Transienten in einem Wasserversorgungsnetz gehören:
- Starten/Stoppen von Pumpen
- Öffnen/Schließen von Ventilen
- Ausfall von Pumpen/Rohren durch Stromausfall/Bersten
Transienten können auf verschiedene Weise zu Problemen im Wasserversorgungsnetz führen:
- Rohrbrüche, die durch Druck verursacht werden, der durch eine Überschreitung der Druckstufe des Rohrs verursacht wird
- Hydraulische Schwingungen, die zu einer Schwächung des Rohrs führen
- Potenzielle Probleme mit der Wasserqualität durch niedrigen Druck, der ein vorübergehendes Vakuum verursacht
Beispiel
Stellen Sie sich vor, dass das Rohr vor einem Ventil sofort geschlossen wurde:
- Wenn das Ventil geschlossen ist, wird das an das Ventil angrenzende Wasser zur Ruhe gebracht, wodurch Wasser vor dem Ventil komprimiert und der Rohrquerschnitt vor dem Ventil vergrößert wird. Der Druckanstieg am Ventil bewirkt die Erzeugung einer Druckwelle mit positivem Überdruckgefälle (ΔH), die sich stromaufwärts ausbreitet.
- Die Druckwelle erreicht das Reservoir.
- Das Wasser wird rückwärts in das Reservoir gedrückt. Die Geschwindigkeit im Rohr kehrt sich um, und der Druck fällt wieder auf den statischen Wert (Reservoirdruck) ab. Die Druckwelle wird umgekehrt und breitet sich wieder zum geschlossenen Ventil hin aus.
- Wenn die Druckwelle das geschlossene Ventil erreicht, bildet sich ein Niederdruckbereich am Ventil, der den Volumenstrom zerstört und eine druckreduzierende Welle erzeugt, die sich in Richtung des Reservoirs ausbreitet.
- Die druckreduzierende Welle erreicht das Reservoir. Wasser fließt aus dem Reservoir in das Rohr, die Geschwindigkeit im Rohr wird umgekehrt und eine Druckwelle breitet sich in Richtung des geschlossenen Ventils aus.
Der Zyklus wiederholt sich, wobei die Druckschwingungen innerhalb kurzer Zeit durch Reibung gedämpft werden.
Transientenratschläge in InfoWorks WS Pro
Beim Ausführen einer Simulation können zusätzliche Ergebnisse für die Amplitude des transienten Drucks und des maximalen transienten Drucks erzeugt werden, die als Indikator für potenzielle Problembereiche aufgrund von transienten Drücken verwendet werden können.
Um die Option für Transientenhinweise zu aktivieren, legen Sie im Dialogfeld Simulationsoptionen die Option Hinweise zu hydraulischen Transienten fest.
Das Ergebnis für transienten Druck zeigt die Amplitude der Druckwelle an und wird mit dem Joukowski-Gesetz berechnet:
|
|
Transienter Druck ΔH bei sofortigem Schließen des Ventils in einem starren Rohr:
Dabei gilt: g = Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft Δv = Änderung der Fluidgeschwindigkeit c = Wellengeschwindigkeit |
Die Amplitude des transienten Drucks wird für jeden Zeitschritt (t) berechnet, wobei Folgendes gilt:
- Änderung der Fluidgeschwindigkeit (ΔV) =
- Geschwindigkeit bei vorherigem Zeitschritt – Geschwindigkeit am aktuellen Zeitschritt
Daher ist der transiente Druck beim ersten Simulationszeitschritt null.
- Wellengeschwindigkeit (c) =
- Wellengeschwindigkeitswert, in der Tabellenansicht Verbindungen definiert
- Vorgabewert von 1400 m/s, wenn Wert nicht in Tabellenansicht angegeben
Festlegen der Wellengeschwindigkeit
Die Wellengeschwindigkeit hängt von der Elastizität des Fluids und des Rohres selbst sowie von den äußeren Beschränkungen des Rohres ab.
Die Wellengeschwindigkeit kann automatisch auf der Grundlage von Rohrmaterialien aus den im Dialogfeld Rohrmaterialien festgelegten Wellengeschwindigkeitswerten festgelegt werden (weitere Informationen finden Sie unter "Festlegen der Wellengeschwindigkeit"). Mit dieser Funktion kann jedoch nur ein Wellengeschwindigkeitswert pro Rohrmaterial im Dialogfeld Rohrmaterialien festgelegt werden.
Die Werte für die Wellengeschwindigkeit können auch manuell in der Tabellenansicht Verbindungen eingegeben werden. Die Werte für die Wellengeschwindigkeit können dem Diagramm und der Tabelle unten entnommen werden (aus Fluid Transients in Pipeline Systems, Thorley ARD, 1991), die Kurven der Wellengeschwindigkeit im Verhältnis von Durchmesser und Wanddicke für verschiedene Rohrmaterialien enthalten.
Diagramm zur Wellengeschwindigkeit
| Durchmesser/Wandstärke (D/e) | Stahl | Grauguss | Gusseisen | Beton | Asbestzement | uPVC |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
5 |
1400 |
1400 |
1360 |
1230 |
1200 |
550 |
|
10 |
1365 |
1355 |
1290 |
1100 |
1040 |
400 |
|
20 |
1310 |
1290 |
1190 |
930 |
860 |
290 |
|
30 |
1260 |
1230 |
1100 |
820 |
750 |
240 |
|
40 |
1210 |
1180 |
1040 |
740 |
680 |
200 |
|
50 |
1170 |
1130 |
980 |
680 |
620 |
180 |
|
60 |
1130 |
1090 |
930 |
630 |
580 |
168 |
|
70 |
1095 |
1055 |
890 |
591 |
540 |
157 |
|
80 |
1060 |
1020 |
848 |
560 |
510 |
145 |
|
90 |
1030 |
995 |
820 |
530 |
485 |
135 |
|
100 |
1005 |
965 |
790 |
510 |
465 |
125 |
|
110 |
985 |
940 |
765 |
490 |
440 |
118 |
|
120 |
965 |
920 |
745 |
475 |
421 |
110 |
|
130 |
940 |
895 |
720 |
455 |
405 |
105 |
|
140 |
920 |
880 |
700 |
440 |
395 |
103 |
|
150 |
900 |
860 |
680 |
425 |
385 |
100 |
Tabelle der Wellengeschwindigkeitskurven (Thorley ARD 1991)
Analysieren der Ergebnisse
Die Ergebnisse des Transientenratgebers, die von InfoWorks WS Pro erzeugt wurden, können nur als qualitative Schätzung verwendet werden. Die Ergebnisse können analysiert werden, um Verbindungen zu bestimmen, die aufgrund hoher transienter Drücke potenziell gefährdet sind, was weiter untersucht werden sollte. Eine vollständige Transientenanalyse kann mithilfe einer InfoWorks TS (Transient System)-Simulation durchgeführt werden.
Die Ergebnisse des Transientenratgebers können wie für andere Ergebnisse angezeigt werden: in einem Rasterbericht oder als Diagramm des zeitvariablen Ergebnisses für ein einzelnes Netzobjekt.
Die Amplitude des transienten Drucks wird als glatte, kontinuierliche Linien dargestellt, die transiente Druckwerte verbinden. Bild anzeigen
In der Realität treten transiente Druckänderungen über einen sehr kurzen Zeitraum (Sekunden) auf. Bild anzeigen
Die glatten Diagrammkurven, die von InfoWorks WS Pro erzeugt werden, stellen eine ungefähre Begrenzungshülle für die realen, spitzen Transienten dar.