Vloeistofmechanica voor de afvalwaterketen Lesboek
Nieuwegein, 2012
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Versie 2.1
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Inhoudsopgave 0 0.1 0.2
Inleiding tot de vloeistofmechanica ...................................................................................... 0-1 Leerdoelen ............................................................................................................................ 0-1 Permanente, niet permanente, eenparige en niet eenparige stroming ................................... 0-1
1 1.1 1.2 1.3
Wrijvingsverliezen ................................................................................................................ 1-5 Leerdoelen ............................................................................................................................ 1-5 Inleiding ................................................................................................................................ 1-5 Basisbegrippen ...................................................................................................................... 1-6 1.3.1 Dimensies en eenheden .......................................................................................... 1-6 1.3.2 Eéndimensionale stroming ..................................................................................... 1-6 1.3.3 Ideale vloeistof ....................................................................................................... 1-6 1.3.4 Dichtheid ................................................................................................................ 1-7 1.3.5 Viscositeit ............................................................................................................... 1-7 1.3.6 Samendrukbaarheid ................................................................................................ 1-8 1.3.7 Hydrostatische druk ................................................................................................ 1-9 1.3.8 Laminaire en turbulente stroming; getal van Reynolds ........................................ 1-10 Basisvergelijkingen ............................................................................................................. 1-13 1.4.1 Algemeen.............................................................................................................. 1-13 1.4.2 Continuïteitsvergelijking ...................................................................................... 1-13 1.4.3 Bewegingsvergelijking ......................................................................................... 1-14 1.4.4 Impulsvergelijking................................................................................................ 1-15 1.4.5 Wet van Bernoulli................................................................................................. 1-16 Energieverliezen - algemeen ............................................................................................... 1-19 Wrijvingsverliezen in open leidingen ................................................................................. 1-21 1.6.1 Wrijvingsformule van Chézy ............................................................................... 1-21 1.6.2 Chézy-coëfficiënt ................................................................................................. 1-21 1.6.3 Aanwijzingen voor de bepaling van het Chézy-coëfficiënt .................................. 1-23 1.6.4 Equivalente wandruwheid k ................................................................................. 1-24 1.6.5 Formule van Manning .......................................................................................... 1-25 1.6.6 Evenwichtsdiepte.................................................................................................. 1-27 1.6.7 Rekenvoorbeelden ................................................................................................ 1-29 Wrijvingsverliezen in buisleidingen ................................................................................... 1-31 1.7.1 Wrijvingsformule van Darcy-Weisbach ............................................................... 1-31 1.7.2 Wrijvingsfactor ..................................................................................................... 1-31 1.7.3 Relatie tussen wrijvingsfactor en Chézy-coëfficiënt C ..................................... 1-32 1.7.4 Toepasbaarheid voor open leidingen .................................................................... 1-33 1.7.5 Aanwijzingen voor de bepaling van de wrijvingsfactor .................................... 1-35 1.7.6 Rekenvoorbeelden ................................................................................................ 1-38 Gedeeltelijk gevulde riolen ................................................................................................. 1-39 1.8.1 Inleiding................................................................................................................ 1-39 1.8.2 Variabele hydraulische parameters....................................................................... 1-39 1.8.3 Vullingskrommen ................................................................................................. 1-43 1.8.4 Rekenvoorbeelden ................................................................................................ 1-45 Bijzondere onderwerpen ..................................................................................................... 1-46 1.9.1 Inleiding................................................................................................................ 1-46
1.4
1.5 1.6
1.7
1.8
1.9
1.9.2 Sequentiële leidingen............................................................................................ 1-46 1.9.3 Parallelle leidingen ............................................................................................... 1-49 1.9.4 Vertakte leidingen ................................................................................................ 1-52 1.10 Oefenopgaven ..................................................................................................................... 1-55 1.10.1 Vervanging van een gecombineerd riool .............................................................. 1-55 1.10.2 Afvoersloot voor overstortwater........................................................................... 1-55 1.11 Gebruikte symbolen en dimensies ...................................................................................... 1-57 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
2.6 2.7
2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3
3.4
3.5
3.6 3.7 3.8 3.9
Vertragingsverliezen ........................................................................................................... 2-59 Leerdoelen .......................................................................................................................... 2-59 Inleiding .............................................................................................................................. 2-59 Vertragingsverliezen algemeen........................................................................................... 2-60 Basisvergelijkingen ............................................................................................................. 2-62 Vertragingsverliezen in buisleidingen ................................................................................ 2-66 2.5.1 Persleidingen ........................................................................................................ 2-66 2.5.2 Rioolleidingen ...................................................................................................... 2-67 Vertragingsverliezen in open leidingen .............................................................................. 2-70 Oefenopgaven ..................................................................................................................... 2-71 2.7.1 Verbindingsleiding tussen twee bassins ............................................................... 2-71 2.7.2 Persleiding met injectiepunt ................................................................................. 2-72 Literatuurlijst ...................................................................................................................... 2-74 Gebruikte symbolen en dimensies ...................................................................................... 2-74 Stuwkrommen (permanente niet-eenparige stroming) ........................................................ 3-75 Leerdoelen .......................................................................................................................... 3-75 Inleiding .............................................................................................................................. 3-75 Basisbegrippen .................................................................................................................... 3-78 3.3.1 Inleiding................................................................................................................ 3-78 3.3.2 Specifieke energiehoogte...................................................................................... 3-78 3.3.3 Specifieke kracht .................................................................................................. 3-82 3.3.4 Getal van Froude .................................................................................................. 3-85 3.3.5 Kritische waterdiepte ............................................................................................ 3-85 3.3.6 Kritisch bodemverhang ........................................................................................ 3-89 Stuwkrommen bij constant debiet....................................................................................... 3-89 3.4.1 Inleiding................................................................................................................ 3-89 3.4.2 Formules voor geleidelijk veranderende stroming bij constant debiet ................. 3-90 3.4.3 Classificatie van stuwkrommen ............................................................................ 3-92 3.4.4 Analyseprocedure ................................................................................................. 3-95 3.4.5 Numerieke integratiemethode; methode van Heun .............................................. 3-97 3.4.6 Numerieke integratiemethode: direct step method ............................................. 3-101 Stuwkrommen bij toe- of afnemend debiet ....................................................................... 3-104 3.5.1 Inleiding.............................................................................................................. 3-104 3.5.2 Formule .............................................................................................................. 3-105 3.5.3 Classificatie en analyse....................................................................................... 3-105 3.5.4 Rekenmethoden .................................................................................................. 3-107 Watersprong ...................................................................................................................... 3-107 Oefenopgave: afvoergoot nabezinktank ........................................................................... 3-108 Literatuurlijst .................................................................................................................... 3-109 Gebruikte symbolen en dimensies .................................................................................... 3-110
4 4.1 4.2
Hydrodynamische berekeningen ....................................................................................... 4-111 Leerdoelen ........................................................................................................................ 4-111 Introductie ......................................................................................................................... 4-111 4.2.1 Geschiedenis en leerdoel van het hoofdstuk....................................................... 4-111 4.2.2 Algemeen............................................................................................................ 4-111 4.2.3 Normen en wetgeving......................................................................................... 4-113 4.2.4 Opbouw van het hoofdstuk................................................................................. 4-114 4.3 Modelresultaten, modelbenadering en schematisering rioolstelsel................................... 4-115 4.3.1 Resultaten van hydrodynamische berekeningen................................................. 4-115 4.3.2 Detaillering schematisatie rioolstelsel ................................................................ 4-116 4.3.3 Afvoerend oppervlak .......................................................................................... 4-117 4.3.4 Hydraulische belasting ....................................................................................... 4-118 4.3.5 Neerslag .............................................................................................................. 4-119 4.3.6 Neerslag en inloopmodellen (hydrologische modellen) ..................................... 4-124 4.3.7 Typen hydrodynamische modellen (algemeen) .................................................. 4-125 4.4 Theoretische benadering van hydrologische modellen ..................................................... 4-126 4.4.1 Inleiding.............................................................................................................. 4-126 4.4.2 Verliesmodellen.................................................................................................. 4-127 4.4.3 Afstromingsproces, (niet-) lineair reservoirmodel ............................................. 4-130 4.4.4 Afstromingsproces, Hydrograph Volume Method ............................................. 4-133 4.4.5 NWRW 4.3 model .............................................................................................. 4-134 4.4.6 Discussie ............................................................................................................. 4-135 4.5 Theoretische benadering van (dynamische) hydraulische modellen ................................ 4-136 4.5.1 Inleiding.............................................................................................................. 4-136 4.5.2 De Saint-Venant vergelijkingen ......................................................................... 4-136 4.5.3 Keuzes formules voor rioleringstechnieken ....................................................... 4-139 4.5.4 Numerieke technieken ........................................................................................ 4-140 4.5.5 Preissmannsleuf .................................................................................................. 4-142 4.5.6 Stabiliteit ............................................................................................................ 4-143 4.5.7 Waterslag ............................................................................................................ 4-144 4.6 Gebruik van hydrodynamische modellen ......................................................................... 4-145 4.6.1 Inleiding.............................................................................................................. 4-145 4.6.2 Fysische instabiliteit ........................................................................................... 4-145 4.6.3 Luchtinsluiting.................................................................................................... 4-146 4.6.4 Inpassen waarnemingen of veldmetingen in berekeningen ................................ 4-147 4.6.5 Kalibratie ............................................................................................................ 4-148 4.6.6 Gebruik maken van tijdseffecten in het ontwerp ................................................ 4-149 4.6.7 Dynamische berging ........................................................................................... 4-150 4.6.8 Real-Time-Controle............................................................................................ 4-151 4.6.9 Missers................................................................................................................ 4-151 4.7 Literatuurlijst .................................................................................................................... 4-152 4.8 Gebruikte symbolen en dimensies .................................................................................... 4-154 4.9 Bijlage A: Inleiding hydrodynamisch rekenen ................................................................. 4-155 4.10 Bijlage B: Introductie wiskundige notaties ....................................................................... 4-157 4.11 Bijlage C: Continuïteitsvergelijking ................................................................................. 4-158 5 5.1 5.2
Debiet- en niveaumeting ................................................................................................... 5-165 Leerdoelen ........................................................................................................................ 5-165 Inleiding ............................................................................................................................ 5-165
5.3
5.4
5.5 5.6 5.7
5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13
6 6.1 6.2
6.3
Debietmeetsystemen voor volledig gevulde leidingen ..................................................... 5-165 5.3.1 Magnetische inductieve debietmeters................................................................. 5-166 5.3.2 Magnetisch inductieve insteek debietmeters ...................................................... 5-177 5.3.3 Ultrasone debietmeters , transmissietijd systeem ............................................... 5-179 5.3.4 Ultrasone debietmeters, Dopplersysteem ........................................................... 5-182 5.3.5 Overige meetsystemen........................................................................................ 5-184 Debietmeetsystemen voor gedeeltelijk gevulde leidingen en open kanalen ..................... 5-184 5.4.1 Debietmeting zonder meetconstructies ............................................................... 5-185 5.4.2 Debietmeting met behulp van meetconstructies ................................................. 5-186 Overlaten........................................................................................................................... 5-191 Doorlaten .......................................................................................................................... 5-193 Debietmeetsystemen op basis van niveaumeting .............................................................. 5-196 5.7.1 Ultrasone niveaumeting ...................................................................................... 5-196 5.7.2 Conversie systemen van niveau naar debiet ....................................................... 5-196 5.7.3 Vlotter niveaumeting .......................................................................................... 5-200 5.7.4 Niveaumeetsystemen voor pompsturing ............................................................ 5-202 Oefenopgaven ................................................................................................................... 5-203 5.8.1 Uitwerking oefenopgaven .................................................................................. 5-204 Literatuurlijst .................................................................................................................... 5-207 Gebruikte symbolen en dimensies .................................................................................... 5-209 Nuttige adressen................................................................................................................ 5-209 Bijlage Open kanaalmeting ............................................................................................... 5-210 5.12.1 Meetgoten met rechthoekige doorsnede volgens BS 3680 ................................. 5-211 Bijlage Niveaumeting ....................................................................................................... 5-213 5.13.1 Contactloze ultrasone niveaumeting ................................................................... 5-213 5.13.2 Contactloze Radarniveaumeting ......................................................................... 5-214 5.13.3 Hydrostatische niveau(druk)meting ................................................................... 5-215 5.13.4 Capacitieve niveaumeting en signalering ........................................................... 5-216 Pompen ............................................................................................................................. 6-217 Leerdoelen ........................................................................................................................ 6-217 Theorie .............................................................................................................................. 6-218 6.2.1 Inleiding.............................................................................................................. 6-218 6.2.2 Indeling van pompen .......................................................................................... 6-219 6.2.3 Het specifiek toerental ........................................................................................ 6-221 6.2.4 De continuïteitsvergelijking en de wet van Bernoulli ........................................ 6-222 6.2.5 De ideale opvoerhoogte ...................................................................................... 6-223 6.2.6 De opvoerhoogte volgens Euler ......................................................................... 6-224 6.2.7 Pompkarakteristieken ......................................................................................... 6-229 6.2.8 De affiniteitsregels.............................................................................................. 6-232 6.2.9 NPSH, dampspanning en cavitatie ..................................................................... 6-235 6.2.10 Leidingen ............................................................................................................ 6-237 6.2.11 Invloed van de viscositeit ................................................................................... 6-245 6.2.12 Invloed van gas en lucht in de te verpompen vloeistof ...................................... 6-247 Het ontwerpen van rioolgemalen ...................................................................................... 6-248 6.3.1 Inleiding.............................................................................................................. 6-248 6.3.2 Het doel van een rioolgemaal ............................................................................. 6-248 6.3.3 Het rioolgemaal .................................................................................................. 6-249 6.3.4 Appendages ........................................................................................................ 6-253
6.4 6.5 6.6
6.3.5 Asafdichtingen.................................................................................................... 6-256 Oefenopgaven ................................................................................................................... 6-257 Literatuurlijst .................................................................................................................... 6-260 Gebruikte symbolen en dimensies .................................................................................... 6-260
Inhoudsopgave 7 7.1 7.2 7.3 7.4
Waterslag .......................................................................................................................... 7-211 Leerdoelen ........................................................................................................................ 7-211 Inleiding ............................................................................................................................ 7-211 Het verschijnsel waterslag ................................................................................................ 7-212 Oorzaken ........................................................................................................................... 7-216 7.4.1 Afsluiters ............................................................................................................ 7-217 7.4.2 Pompschakelingen .............................................................................................. 7-217 7.4.3 Terugslagklep ..................................................................................................... 7-218 7.4.4 Ontluchting ......................................................................................................... 7-219 7.4.5 Cavitatie.............................................................................................................. 7-219 7.4.6 Leidingbreuk ...................................................................................................... 7-220 7.4.7 Verstopte pomp .................................................................................................. 7-221 7.5 Voorzieningen................................................................................................................... 7-221 7.5.1 Buffertorens ........................................................................................................ 7-221 7.5.2 Windketels .......................................................................................................... 7-222 7.5.3 Vliegwiel ............................................................................................................ 7-223 7.5.4 Nazuigleidingen.................................................................................................. 7-224 7.5.5 Frequentiegeregelde pompen /softstarters .......................................................... 7-225 7.5.6 Drukbegrenzer .................................................................................................... 7-225 7.5.7 Luchtinlaat .......................................................................................................... 7-225 7.5.8 Beïnvloeding voortplantingssnelheid ................................................................. 7-226 7.6 Wiskundige basis .............................................................................................................. 7-227 7.6.1 Inleiding.............................................................................................................. 7-227 7.6.2 Waterslagvergelijkingen ..................................................................................... 7-227 7.6.3 De karakteristieke vergelijkingen ....................................................................... 7-230 7.6.4 Drukgolven ......................................................................................................... 7-232 7.6.5 Randvoorwaarden ............................................................................................... 7-233 7.7 Oplosmethoden ................................................................................................................. 7-238 7.7.1 Grafische methode .............................................................................................. 7-238 7.7.2 Starre kolom-methode ........................................................................................ 7-239 7.7.3 Computermodel .................................................................................................. 7-239 7.8 Voortplantingssnelheid en richting ................................................................................... 7-243 7.9 Gebruik computermodel ................................................................................................... 7-245 7.9.1 Criteria ................................................................................................................ 7-245 7.9.2 Maatgevende scenario’s ..................................................................................... 7-246 7.9.3 Vertaalslag werkelijkheid naar model ................................................................ 7-247 7.9.4 Parameters hydraulische komponenten .............................................................. 7-249 7.9.5 Parameters rekenproces ...................................................................................... 7-250 7.9.6 Numerieke aspecten............................................................................................ 7-250 7.10 Interpretatie ....................................................................................................................... 7-251 7.10.1 Reflecties ............................................................................................................ 7-252 7.10.2 Wrijving.............................................................................................................. 7-254 7.10.3 Cavitatie.............................................................................................................. 7-256 7.10.4 Dynamische belasting......................................................................................... 7-260 7.10.5 Keuze terugslagkleppen...................................................................................... 7-262 7.11 Voorbeelden ...................................................................................................................... 7-266
7.12 Literatuurlijst .................................................................................................................... 7-275 7.13 Gebruikte symbolen en dimensies .................................................................................... 7-276 7.14 Oefenopgaven ................................................................................................................... 7-277 7.14.1 Oefenopgave 1 .................................................................................................... 7-277 7.14.2 Oefenopgave 2 .................................................................................................... 7-278 7.14.3 Oefenopgave 3 .................................................................................................... 7-279 7.14.4 Oefenopgave 4 .................................................................................................... 7-280 7.14.5 Oefenopgave 5 .................................................................................................... 7-281 7.15 Illustratieve waterslag voorbeelden (bestanden Wanda) .................................................. 7-282 7.15.1 Overzicht voorbeelden........................................................................................ 7-282 7.15.2 Beschrijving voorbeelden ................................................................................... 7-283 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
8.7 8.8 8.9 9 9.1 9.2 9.3 9.4
9.5
9.6
9.7
Luchtinsluiting in persleidingen ....................................................................................... 8-297 Leerdoelen ........................................................................................................................ 8-297 Inleiding ............................................................................................................................ 8-297 Energie verlies t.g.v. een luchtbel ..................................................................................... 8-297 Historisch perspectief ontwerpregels en uitvoeringsvormen ............................................ 8-299 Proces stagnatie/transport luchtbel ................................................................................... 8-302 Oorzaak luchtintrede en beperking hiervan ...................................................................... 8-305 8.6.1 Luchtaanzuiging via zuigmond pomp ................................................................ 8-306 8.6.2 Be/ontluchtingssystemen .................................................................................... 8-309 8.6.3 Onderdruk bij niet-pompbedrijf ......................................................................... 8-310 8.6.4 Waterslagvoorzieningen ..................................................................................... 8-310 Ontwerpcriteria ................................................................................................................. 8-310 Beheeraspecten ................................................................................................................. 8-317 Literatuurlijst .................................................................................................................... 8-318 Randvoorzieningen ........................................................................................................... 9-321 Leerdoelen ........................................................................................................................ 9-321 Inleiding ............................................................................................................................ 9-321 Begrippen en definities ..................................................................................................... 9-322 Bergbezinkbassin .............................................................................................................. 9-326 9.4.1 Inleiding en werking ........................................................................................... 9-326 9.4.2 Bezinking............................................................................................................ 9-327 9.4.3 Vormgeving hoofdconstructie ............................................................................ 9-333 9.4.4 Ontwerp van rechthoekige bassins ..................................................................... 9-335 9.4.5 Ontwerp van ronde bassins ................................................................................. 9-336 9.4.6 Detaillering ......................................................................................................... 9-338 9.4.7 Resumé ............................................................................................................... 9-343 9.4.8 Meer geavanceerde rekentechnieken .................................................................. 9-345 Bergbezinkriool ................................................................................................................ 9-345 9.5.1 Inleiding en werking ........................................................................................... 9-345 9.5.2 Dimensionering .................................................................................................. 9-346 De lamellenafscheider....................................................................................................... 9-347 9.6.1 Inleiding en werking ........................................................................................... 9-347 9.6.2 Ontwerpmethode ................................................................................................ 9-349 Overige randvoorzieningen............................................................................................... 9-354 9.7.1 Werveloverstortput ............................................................................................. 9-354 9.7.2 Verbeterde overstortput ...................................................................................... 9-355
9.8
Moerassystemen (helofytenfilters).................................................................................... 9-356 9.8.1 Inleiding.............................................................................................................. 9-356 9.8.2 Dimensionering .................................................................................................. 9-357 9.9 Randvoorwaarden bij het dimensioneren van randvoorzieningen en het gebruik van vuiluitworpmodellen ................................................................................................................... 9-358 9.9.1 Hydraulisch ........................................................................................................ 9-358 9.9.2 Vuiluitworp ........................................................................................................ 9-359 9.10 Afrondend ......................................................................................................................... 9-360 9.11 Literatuurlijst .................................................................................................................... 9-361 10 10.1 10.2 10.3
10.11
Afvalwaterzuivering ....................................................................................................... 10-365 Leerdoelen ...................................................................................................................... 10-365 Inleiding .......................................................................................................................... 10-365 Hoeveelheid en samenstelling afvalwater ....................................................................... 10-365 10.3.1 Hoeveelheid afvalwater .................................................................................... 10-365 10.3.2 Samenstelling afvalwater.................................................................................. 10-366 Effluenteisen ................................................................................................................... 10-368 Bezinking ........................................................................................................................ 10-369 Overlaten......................................................................................................................... 10-371 10.6.1 Zijdelingse overlaat .......................................................................................... 10-372 Werking en ontwerpaspecten rwzi’s ............................................................................... 10-373 10.7.1 Debietmeting .................................................................................................... 10-374 10.7.2 Roostergoedverwijdering ................................................................................. 10-374 10.7.3 Zandverwijdering ............................................................................................. 10-375 10.7.4 Voorbezinking .................................................................................................. 10-377 10.7.5 Voordenitrificatie en beluchtingstank .............................................................. 10-378 Afvoer ............................................................................................................................. 10-381 10.8.1 Nabezinking...................................................................................................... 10-381 Afvoer ............................................................................................................................. 10-383 10.9.1 Retourslib ......................................................................................................... 10-383 10.9.2 Selector ............................................................................................................. 10-384 10.9.3 Biologische fosfaatverwijdering ....................................................................... 10-384 10.9.4 Slibverwerking ................................................................................................. 10-385 10.9.5 Specifieke kenmerken ...................................................................................... 10-386 Afvalwatersysteembenadering ........................................................................................ 10-387 10.10.1 Inleiding............................................................................................................ 10-387 10.10.2 Maatregelen op hoofdlijnen .............................................................................. 10-388 10.10.3 Uitwerking van een case ................................................................................... 10-389 Bijlage 1: afvoerformules voor verschillende soorten overlaten .................................... 10-392
11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8
Van theorie naar Praktijk ................................................................................................ 11-393 Leerdoelen ...................................................................................................................... 11-393 Inleiding en leerdoel ....................................................................................................... 11-393 Standaardisatie VGS-gemalen ........................................................................................ 11-393 Een roestende klokkenverzameling ................................................................................ 11-397 Chipfabrief op halve kracht ............................................................................................ 11-399 Verhard of afstromend oppervlak? ................................................................................. 11-401 De ideale pompregeling (voor wie?)............................................................................... 11-403 De pompen lopen gesmeerd - glijmiddel is niet nodig! .................................................. 11-405
10.4 10.5 10.6 10.7
10.8 10.9
10.10
11.9 11.10 11.11 11.12 11.13 11.14
Op toekomst gedimensioneerde persleiding als tijdelijke vuilbuffer .............................. 11-406 Geen waterslag, maar wel leidingbreuk .......................................................................... 11-408 Afvalwater op straat als de stroom uitvalt ...................................................................... 11-411 Water op straat of debiet meten? .................................................................................... 11-413 Randvoorziening leidt tot extra vuilemissie ................................................................... 11-415 Rwzi overbelast? ............................................................................................................. 11-417
