Дослідження гідравлічних опорів і гідравлічні розрахунки трубопроводів з дискретно змінними витратами уздовж потоку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівненський державний технічний університет

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ ОПОРІВ І ГІДРАВЛІЧНІ РОЗРАХУНКИ ТРУБОПРОВОДІВ З ДИСКРЕТНО ЗМІННИМИ ВИТРАТАМИ УЗДОВЖ ПОТОКУ

05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія

Волощук Володимир Анатолійович

Рівне - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідравліки Інституту водного господарства Рівненського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - Науменко Іван Іларіонович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри гідравліки Інституту водного господарства Рівненського державного технічного університету.

Офіційні опоненти: Дмітрієв Анатолій Федорович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри ГТС Інституту водного господарства Рівненського державного технічного університету;

Чернюк Володимир Васильович, кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”.

Провідна установа - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра гідравліки та водовідведення.

Захист відбудеться 19 жовтня 2001 року о 16⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 у Рівненському державному технічному університеті за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Рівненського державного технічного університету за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий 18 вересня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков

АНОТАЦІЇ

гідравлічний дренажний трубопровід водопостачання

Волощук В. А. Дослідження гідравлічних опорів і гідравлічні розрахунки трубопроводів з дискретно змінними витратами уздовж потоку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 23. 16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Рівненський державний технічний університет, Рівне, 2001.

У дисертації розглянуті дослідження гідравлічних опорів і розробка аналітичних залежностей для гідравлічних розрахунків трубопроводів з дискретно змінними витратами уздовж потоку.

На основі експериментальних та теоретичних досліджень у роботі запропоновані залежності для визначення коефіцієнтів витрат отворів (насадків), через які рідина надходить до трубопроводів-збирачів та залежності для визначення гідравлічних опорів у трубопроводах-збирачах, які враховують віддаль між перерізами збору витрат.

Використовуючи диференціальне рівняння гідравліки змінної маси, диференціальне рівняння зміни повної питомої енергії і залежності зміни гідравлічних опорів уздовж потоку, розроблені аналітичні залежності для гідравлічного розрахунку трубопроводів-збирачів. Результати розрахунків за запропонованими залежностями добре збігаються із експериментальними даними.

За результатами досліджень розроблена методика гідравлічних розрахунків трубопроводів-збирачів систем водопостачання та водовідведення для забезпечення рівномірного збору витрат, а також запропоновані залежності для гідравлічного розрахунку дренажних трубопроводів осушувально-зволожувальних систем.

Ключові слова: трубопровід-збирач, коефіцієнт витрати, гідравлічні опори, аналітична залежність, розрахунок.

Волощук В. А. Исследование гидравлических сопротивлений и гидравлические расчеты трубопроводов с дискретно переменными расходами вдоль потока. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Ровенский государственный технический университет, Ровно, 2001.

В диссертации изложены вопросы исследования гидравлических сопротивлений и разработки аналитических зависимостей для гидравлических расчетов трубопроводов с дискретно переменными расходами вдоль потока.

В работе, на основе теоретического анализа, выяснены факторы, которые влияют на пропускную способность отверстий (насадков), из которых жидкость поступает в трубопроводы-собиратели и проведены экспериментальные исследования по определению коэффициентов расхода таких отверстий (насадков).

Экспериментальные исследования показали, что пропускная способность отверстий (насадков), которые установлены в стенках трубопроводов-собирателей, больше, чем при истечении жидкости в атмосферу. В работе предложены зависимости для определения коэффициентов расхода таких отверстий (насадков).

На основе теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе доказано, что гидравлические сопротивления в трубопроводах-собирателях больше, чем в трубопроводах с постоянными расходами. В работе разработаны зависимости для определения гидравлических сопротивлений трубопроводов-собирателей, которые учитывают расстояния между сечениями сбора жидкости.

Доказано, что в качестве математических моделей, которые описывают движение жидкости в трубопроводах-собирателях, можно использовать дифференциальное уравнение движения жидкости с переменной массой или дифференциальное уравнение изменения полной удельной энергии с переменным расходом по длине потока. Используя эти уравнения, и полученные автором зависимости для определения гидравлических сопротивлений в трубопроводах-собирателях, разработаны аналитические зависимости для гидравлического расчета таких трубопроводов.

Расчеты показали, что разница между экспериментальными и расчетными потерями напора по всей длине трубопровода-собирателя в подавляющем большинстве не превышает ; разница между экспериментальными и расчетными расходами, которые собираются трубопроводом, не превышает .

По результатам исследований разработана методика гидравлических расчетов трубопроводов-собирателей систем водоснабжения и водоотводения для обеспечения равномерного сбора расходов, а также предложены зависимости для гидравлического расчета дренажных трубопроводов осушительно-увлажнительных систем.

Ключевые слова: трубопровод-собиратель, коэффициент расхода, гидравлические сопротивления, аналитическая зависимость, расчет.

Voloshchuk V. A. Research of hydraulic resistances and hydraulic calculations of pipelines with changing discharge rates along flow. - Manuscript.

Dissertation for the obtaining the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology - Rivne State Technical University, Rivne, 2001.

The dissertation considers the problems of hydraulic resistances and elaborating analytical relations for hydraulic calculations of pipelines with changing discharge rates along flow.

Due to experimental and mathematical research the dissertation gives relations for determining discharge coefficients of orifices (nozzles) through which fluid is discharged into collectors, and relations for determining resistance coefficients in collectors taking into account the distance between the points of water collecting.

Using hydraulic differential equation of mass changing, differential equation of energy changing and relations of hydraulic resistance changing along flow, analytical relations are elaborated for hydraulic calculations of collectors. There exists a satisfactory match between the theoretical and experimental results.

The results of the study have been used to develop methods for hydraulic calculations of collectors of water supply and sewerage systems taking into account uniform discharge collecting, and to develop relations for hydraulic calculations of reclaimed systems drainage pipelines.

Key words: collector, discharge coefficient, hydraulic resistances, analytical relations, calculation.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Трубопроводи з дискретно змінними витратами уздовж потоку широко застосовуються в системах водопостачання та водовідведення, в гідромеліоративних системах.

При виконанні гідравлічних розрахунків таких трубопроводів часто використовують диференціальне рівняння гідравліки змінної маси та диференціальне рівняння зміни повної питомої енергії уздовж потоку. В переважній більшості випадків, при інтегруванні цих рівнянь, використовують закони зміни гідравлічних опорів, що отримані при рівномірному русі.

Зменшення витрат в розподільчих трубопроводах та збільшення витрат в трубопроводах-збирачах здійснюється дискретно, тобто через деякі віддалі l уздовж трубопроводів. Доведено (Науменко І. І.), що при віддалях між точками зменшення витрат l>0,1 м, загальні гідравлічні опори складаються з місцевих гідравлічних опорів та гідравлічних опорів по довжині. Величини гідравлічних опорів по довжині при дискретності l>0,1 м в розподільчих трубопроводах добре узгоджуються з величинами гідравлічних опорів при рівномірному русі, що дозволяє розробити надійні аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків таких трубопроводів.

За дослідженнями, що виконані в Київському національному університеті будівництва і архітектури, у трубопроводах-збирачах при числах Рейнольдса Re=35000...100000 величини гідравлічного коефіцієнта тертя є в 1,9…3 рази більшими, ніж при рівномірному русі. Проте, як в цих дослідженнях, так і інших, не доведено як впливає дискретність l на закономірності зміни гідравлічного коефіцієнта тертя у трубопроводах-збирачах.

Недослідженим залишається також вплив транзитної швидкості потоку в трубопроводах-збирачах на пропускну здатність отворів, що влаштовані в стінках цих трубопроводів.

Відсутність достатньо обгрунтованих даних про зміну гідравлічних опорів уздовж трубопроводів-збирачів при різній дискретності зміни витрат та даних про зміну пропускної спроможності отворів в стінках трубопроводів-збирачів не дозволяє розробити надійні аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків трубопроводів-збирачів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалась згідно плану науково-дослідних робіт Рівненського державного технічного університету “Розробка математичних моделей і методів оцінки і оптимізації надійності водогосподарських об'єктів”, в яких здобувач приймав участь як виконавець, та галузевих програм Держводгоспу України на 1997-2000 р.р.

Мета роботи. Метою роботи є наукове обгрунтування залежностей для оцінки гідравлічних опорів в трубопроводах-збирачах при різній дискретності збирання витрат та залежностей для виконання гідравлічних розрахунків трубопроводів з дискретно змінними витратами уздовж потоку.

Задачі досліджень. Досягнення мети здійснювалися вирішенням наступних задач:

дослідження пропускної спроможності отворів та насадків, які влаштовані в стінці трубопроводу-збирача;

розробка залежностей для розрахунку коефіцієнтів витрат отворів та насадків, через які витрати надходять у трубопровід;

розробка математичних моделей для дослідження зміни гідравлічних опорів у трубопроводах-збирачах;

дослідження закономірностей зміни гідравлічних опорів уздовж трубопроводу-збирача;

розробка залежностей для розрахунку гідравлічних опорів в трубопроводах-збирачах;

розробка залежностей для гідравлічних розрахунків трубопроводів-збирачів систем водопостачання і водовідведення та дренажних трубопроводів осушувально-зволожувальних систем.

Об'єкт дослідження - процес руху рідини у трубопроводах із дискретно змінними витратами уздовж потоку.

Предмет дослідження - закономірності зміни гідравлічних опорів уздовж трубопроводів-збирачів і гідравлічний розрахунок трубопроводів із дискретно змінними витратами.

Методи дослідження - При плануванні та проведенні досліджень, розробці аналітичних залежностей, аналізі результатів досліджень використані методи гідромеханічної подібності фізичних явищ та методи математичної статистики.

Методи фізичного моделювання гідравлічних явищ дозволили дослідити водоприймальну здатність отворів (насадків) у трубопроводах-збирачах, вдосконалити методику визначення гідравлічних опорів уздовж трубопроводів-збирачів та дослідити закономірності їх зміни при різній дискретності збору витрат. Обробка результатів експериментальних досліджень виконана на ПЕОМ із застосуванням сучасних методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше отримані залежності оцінки зміни коефіцієнтів витрат отворів і насадків, що влаштовані в стінках трубопроводів-збирачів;

удосконалені залежності для дослідження гідравлічних коефіцієнтів тертя та місцевих гідравлічних опорів уздовж трубопроводу-збирача, що враховують дискретність збору витрат;

удосконалені аналітичні залежності для гідравлічного розрахунку трубопроводів-збирачів систем водопостачання і водовідведення при довільній зміні витрат уздовж потоку та дренажних трубопроводів осушувально-зволожувальних систем, які враховують зміну гідравлічних опорів по довжині трубопроводу при різній дискретності зміни витрат.

Достовірність результатів, що отримані, теоретично обгрунтовані і підтверджені сучасними методами обробки експериментальних даних, побудовою аналітичних залежностей для гідравлічного розрахунку трубопроводів із дискретно змінними витратами уздовж потоку, порівнянням теоретичних та експериментальних результатів досліджень.

Практичне значення одержаних результатів:

удосконалена методика гідравлічних розрахунків трубопроводів-збирачів систем водопостачання та водовідведення, яка дозволяє запроектувати трубопроводи-збирачі з довільним законом збору витрат уздовж трубопроводу.

розроблена методика проектування дренажних трубопроводів осушувально-зволожувальних систем, яка дозволяє розрахувати довжину дрен з урахуванням допустимої варіації норми осушення уздовж дрен.

результати досліджень і розробок впроваджено на Сарненській дослідній станції Інституту гідротехніки і меліорації УААН в проекті реконструкції дослідної осушувально-зволожувальної системи.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором зроблено наступне:

виконані експериментальні дослідження та аналіз факторів, що впливають на пропускну здатність отворів та насадків, які влаштовані в стінках трубопроводів-збирачів;

побудовані залежності для гідравлічного розрахунку таких отворів та насадків;

проведені дослідження гідравлічних опорів в трубопроводах-збирачах з різною дискретністю збору витрат;

виконаний аналіз факторів, що впливають на величини гідравлічного коефіцієнта тертя та місцевих гідравлічних опорів при різній дискретності збору витрат;

розроблені залежності для визначення величин гідравлічного коефіцієнта тертя та величин місцевих гідравлічних опорів при різній дискретності збору витрат;

зроблений аналіз математичних моделей для гідравлічного розрахунку трубопроводів з дискретною зміною витрат уздовж потоку;

вдосконалена методика проектування трубопроводів з дискретною зміною витрат уздовж потоку при довільному законі зміни витрат.

Апробація результатів. Основні результаті досліджень дисертації апробовані на “Третій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії, присвяченій 75-річчю Української держаної академії водного господарства” (м. Рівне, 1997 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми меліорації і водного господарства на сучасному етапі” (м.Горки, 1999 р.), та на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДАВГ, РДТУ (Рівне, 1997; 1998; 1999; 2000; 2001 р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 8 праць, з них 6 статей у фахових виданнях, 2 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 217 сторінках машинописного тексту, який ілюструється 24 таблицями, 31 рисунками і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 132 назв, та додатку на 76 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано обгрунтування актуальності теми, визначено мету та задачі досліджень, відмічено наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі подано огляд літератури з питань, пов'язаних з теоретичними та експериментальними дослідженнями гідравліки трубопроводів із дискретно змінним витратами уздовж потоку. Дослідженнями в цьому напрямку займалися: Мєщєрскій І. В., Коновалов І. М., Петров Г. О., Єгоров А. І., Смислов В. В., Василенко О. А., Кравчук А. М., Дмітрієв А. Ф., Науменко І. І., Федорець А. А., Вдовін Н. І., Волинов М. А. та інші.

Аналіз робіт показав, що дослідження руху рідини у трубопроводах із дискретно змінними витратами уздовж потоку базуються на використанні диференціального рівняння гідравліки змінної маси

dH+2 б₀QdQ/(gщ²)+ л_edxQ²/( D_ТР 2 gщ²)=0, (1)

де H - ордината п'єзометричного напору; б₀ - коректив кількості руху; Q - змінна по довжині трубопроводу витрата; g - прискорення вільного падіння; щ , D_ТР - відповідно площа поперечного перерізу та діаметр трубопроводу; x - координата довжини трубопроводу; л_e - еквівалентний коефіцієнт гідравлічного тертя;

та диференціального рівняння зміни повної питомої енергії

dH+бQdQ/(gщ²)+ л_edxQ²/( D_ТР 2 gщ²)=0, (2)

або

dH+бQdQ/(gщ²)+ лdxQ²/( D_ТР2gщ²)+ жQ²dn/(2gщ²)=0, (3)

де б - коефіцієнт кінетичної енергії; л - гідравлічний коефіцієнт тертя на ділянці dx при рівномірному русі; ж - коефіцієнт місцевих гідравлічних опорів; dn - кількість місцевих опорів на довжині трубопроводу dx.

Величини коефіцієнтів л_e, л та ж для неквадратичної області опору у рівняннях (1), (2) та (3) змінюються уздовж трубопроводу.

Варто зауважити, що друга складова в рівнянні (2) буде в два рази менша ніж в рівнянні (1). Тому, використовуючи рівняння (1) та (2) для дослідження закономірностей зміни коефіцієнта л_e, ми отримаємо різні результати. Це потрібно обов'язково враховувати для побудови інтегральних залежностей.

Як показав аналіз, достатньо обгрунтованих даних про зміну гідравлічних опорів уздовж трубопроводу із дискретним зростанням витрат при різній віддалі між перерізами надходження рідини до трубопроводу та даних про зміну пропускної здатності отворів (насадків), які влаштовані у стінках таких трубопроводів, поки що немає. Проведений огляд літературних джерел дозволив сформулювати основну мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі зроблена оцінка пропускної здатності отворів (насадків), які влаштовані у стінках трубопроводів-збирачів. Аналіз показав, що на пропускну здатність таких отворів (насадків) впливають діаметр трубопроводу-збирача та наявність у трубопроводі-збирачі транзитної швидкості.

Для гідравлічного розрахунку таких отворів (насадків) можна використати залежність

Q_O=мщ_O(2g(H-p_М/(сg)))^1/2= мщ_O(2g Z)^1/2, (4)

де м - коефіцієнт витрати отвору (насадка), який є функцією

м=f(Re_O, V_ТР,Z/D_ТР), (5)

де Re_O=(2gZ)^1/2 d_O/н - число Рейнольдса в отворі (насадку); d_O - діаметр отвору(насадка); V_ТР - транзитна швидкість у трубопроводі; Z=H-p_М/(сg); D_ТР - діаметр трубопроводу; Н - гідростатичний напір на вході в отвір (насадок); p_М - манометричний тиск в трубопроводі в перерізі перед отвором (насадком); с - густина рідини; g - прискорення вільного падіння; щ_O - площа поперечного перерізу отвору (насадка).

Результати досліджень коефіцієнтів витрат отворів та насадків наведені на рис. 2, 3.

Аналіз даних на рис. 2, 3 показав, що у трубопроводах-збирачах при збільшенні транзитної швидкості до 60 см/с, при числах Рейнольдса у насадках Re_o>12000, коефіцієнт витрати насадків збільшується до12 %, а для отворів, при числах Рейнольдса Re_o>7000 - до 30…45 % (криві 2, 3, 4, 5, 6, 7) в порівнянні з витіканням рідини через отвори (насадки) в атмосферу (крива 1). При транзитній швидкості, яка більша 60 см/с, пропускна здатність насадків та отворів практично не збільшується.

Використовуючи графіки на рис. 2, 3, у дисертації наведені побудувані нами емпіричні залежності для визначення коефіцієнтів витрат отворів (насадків), які влаштовані у стінках трубопроводів-збирачів.

У третьому розділі наведені експериментальні дослідження гідравлічних опорів у трубопроводах з дискретно зростаючими витратами.

Загальні втрати напору у трубопроводах-збирачах можна розділити на втрати напору по довжині і втрати, що обумовлені приєднанням рідини. Окрім цього, внаслідок влаштування отворів (насадків) на боковій поверхні трубопроводу утворюється додаткова шорсткість стінок трубопроводу, яка спричиняє додаткові гідравлічні опори.

Для оцінки кожного виду опору ми використали принцип суперпозиції втрат напору і виконали дослідження в такій послідовності:

1. Визначили значення гідравлічних опорів в гладкому трубопроводі без перфорації.

2. Влаштували насадки (оскільки виготовлення насадків певних розмірів є точнішим, ніж отворів, що дає змогу, точніше визначити витрату, яка надходить через насадок), закрили в них входи і дослідили гідравлічні опори у трубопроводі при рівномірному русі.

3. Послідовно розкривали входи насадків і дослідили закономірності зміни гідравлічних опорів у трубопроводі при зборі витрат.

Загальні гідравлічні опори, що виникають у трубопроводах-збирачах, можна оцінити еквівалентним коефіцієнтом гідравлічного тертя. Записавши рівняння гідравліки змінної маси (1) для ділянки потоку між двома суміжними перерізами приєднання витрат, схема якої зображена на рис. 4, отримаємо вираз (6) для визначення еквівалентного коефіцієнта гідравлічного тертя у трубопроводах-збирачах

л_e =(ДH - 2 б₀Q ₂ ДQ /( gщ²))* D_ТР 2 gщ²/(Q²₂l), (6)

де ДH =H₁-H₂; ДQ =Q₂-Q₁;H₁, H₂ - п'єзометричні напори відповідно в перерізах 1-1 і 2-2;Q₁, Q₂ - витрати потоку відповідно в перерізах 1-1 і 2-2; l- відстань між двома суміжними перерізаи приєднання витрат.

На ділянці трубопроводу-збирача, яка знаходиться між двома суміжними перерізами приєднання рідини, середня швидкість потоку постійна. Рух рідини на цій ділянці можна умовно прийняти рівномірним, хоча епюра швидкостей не відповідає рівномірному руху. Якщо втрати напору на довжині даної ділянки визначити через гідравлічний коефіцієнт тертя, що відповідає рівномірному руху, то решта втрат напору будуть втрати напору на приєднання рідини, які можна оцінити місцевим коефіцієнтом гідравлічного опору. Якщо використати рівняння зміни повної питомої енергії (3), то отримаємо вираз (7) для визначення місцевих гідравлічних опорів у трубопроводах-збирачах.

ж=[ H₁-H₂-лl Q²₂/( D_ТР 2 gщ²)+( б Q₁²/(2 gщ²)- б Q₂²/(2 gщ²))]/ (Q₂²/(2 gщ²)), (7)

Дослідження гідравлічних опорів у трубопроводах-збирачах виконували на експериментальній установці, схема якої наведена на рис. 5.

На дно напірного лотка 1 поклали досліджуваний поліетиленовий трубопровід 2, який був обладнаний пристроями для зміни та вимірювання величини витрати і перепаду п'єзометричного напору. Загальна довжина трубопроводу складала 12 м, внутрішні діаметри трубопроводу становили: 4,63;10,0 см.

Сумарні витрати, які надходили у трубопровід-збирач, замірялись протарованими насадками, а також визначалися об'ємним способом в кінці трубопроводу мірним бачком 6 та за допомогою трикутного водозливу 7. При цьому, різниця між витратами, які замірялися різними способами, на перевищувала 5 %.

На рис. 6 наведені результати визначення коефіцієнта місцевого гідравлічного опору ж у збірному трубопроводі (криві 4, 5, 6, 7) у вигляді функції

ж=f(Q₂/q_O), (8)

де Q₂ - витрата у трубопроводі після з'єднання потоків; q_O - витрата, яка надходить до трубопроводу у конкретному поперечному перерізі.

Для порівняння на рис. 6 нанесені значення коефіцієнта ж при одиночному з'єднанні потоків за даними різних авторів (криві 1 - 3), які, як це видно із рис. 6, майже збігаються між собою.

Аналіз даних на рис. 6 показав, що при Q₂/q_O=2…11 коефіцієнти місцевого гідравлічного опору ж у трубопроводах-збирачах у 1,6...8,8 раз більші ніж у випадках одиночних з'єднань потоків. Тобто при дискретному сполученні рідини відбувається взаємний вплив одного місцевого опору на інший в сторону збільшення втрат напору. Це явище також спостерігається і при різних віддалях між перерізами з'єднання потоків (криві 4, 5, 6, 7). Наприклад, при Q₂/q_O=2…11 і дискретності з'єднання потоків l=40 см (крива 6) коефіцієнт ж у 1,2…1,6 раз більший, ніж при l=80 см (крива 4).

На рис. 7, 8 наведені графіки залежності еквівалентного коефіцієнта гідравлічного тертя л_е у трубопроводі-збирачі від числа Рейнольдса у трубопроводі Re.

Із рис. 7 видно, що гідравлічні опори, які виникають у трубопроводі з дискретним збором витрат, при закритому вході у трубопровід, більші, ніж для того ж трубопроводу, але з постійними витратами. Обумовлено це додатковими турбулентними напруженнями, що виникають при зборі витрат. Наприклад, при дискретності l=20 см і Re=4000…50000 значення коефіцієнтів л_е в 1,5…4,4 раз більші, ніж при рівномірному русі (лінії 1 та 10).

Із рис. 7 бачимо, що при числах Re<20000 добре прослідковується вплив дискретності l на значення коефіцієнта л_е. При цьому, чим більша дискретність l, тим менший коефіцієнт л_е. Наприклад, при Re=4000 і l=200 см (крива 4) коефіцієнт л_е в 2,75 раза менший, ніж при l=20 см (крива 10).

Закономірність зміни коефіцієнтів л_е при закритому вході у трубопровід (рис. 7) відрізняється від закономірності зміни коефіцієнтів л_е при відкритому вході у трубопровід (рис. 8). В останньому випадку коефіцієнт л_е на початковій довжині трубопроводу L_П=0,25L поступово зростає від лінії 1, що відповідає рівномірному руху, до значень коефіцієнта л_е, що відповідають закритому входу у трубопровід. Далі зміна еквівалентного коефіцієнта гідравлічного тертя л_е в обох випадках однакова.

У четвертому розділі наведені аналітичні залежності для гідравлічних розрахунків трубопроводів із дискретно зростаючими витратами уздовж потоку.

В результаті аналізу даних на рис. 6, для визначення величини коефіцієнта місцевого гідравлічного опору ж у трубопроводах-збирачах запропонована залежність

ж=М₂/(Q₂/q_O)ⁿ², (9)

де емпіричні параметри M₂, n₂ залежать від дискретності збору витрат.

Якщо Q₂/q_O>11, то дискретність l практично не впливає на величину ж. Параметри M₂, n₂ в даному випадку можна прийняти для всіх значень l рівними M₂=7,79; n₂=1,41.

Аналіз даних на рис. 7 показав, що значення коефіцієнта л, які відповідають трубопроводу із закритими отворами (насадками), можна визначати за формулою

л=M₁/(Re)ⁿ¹, (10)

де M₁, n₁ - емпіричні коефіцієнти, значення яких залежать від інтенсивності перфорації трубопроводу; Re=V*D_ТР/н - число Рейнольдса у трубопроводі; V=Q/щ; Q - витрата потоку;

значення еквівалентного коефіцієнта гідравлічного тертя л_e у трубопроводах-збирачах можна визначати за формулою

л_e=M₂/(Re)ⁿ², (11)

де M₂, n₂ - емпіричні коефіцієнти, значення яких залежать від дискретності надходження рідини у трубопровід l, та чисел Рейнольдса Re. В дисертації наведені залежності для визначення параметрів M₁, n₁ M₂, n₂ M₃, n₃ , , , , , .

Відхилення дослідних значень коефіцієнтів ж, л, л_e від значень, що обчислені за залежностями (9) - (11) з імовірністю довіри не перевищують максимальних випадкових похибок.

Згідно схеми , що наведена на рис. 9, для гідравлічного розрахунку трубопроводів-збирачів можна використати наступні залежності:

1. При використанні рівняння зміни повної питомої енергії (3):

1) довільний закон зміни витрати уздовж потоку величина п'єзометричного напору

H_n=H_0K - бQ²_n/(2gщ²_n)+?(ж_i + л_il_i/D_i)Q²_i/(2gщ²_i), (12)

де H_0K =H_K+ бQ²_K/(2gщ²_K)= H_KТ+ бQ²_KТ/(2gщ²_KТ)+h_МК; (13)

втрати напору

h_Wn=?( л_il_i/D_i + ж_i ) Q²_i/(2gщ²_i)). (14)

2) рівномірна зміна витрати уздовж потоку

а) при розрахунку від кінця трубопроводу величина п'єзометричного напору

H=H_КТ + h_Д (1 - z^3-n1) + h_M (1 - z^3-n2) + б h_VКТ (1 - z²); (15)

втрати напору

h_xK =H+ б Q²/(2gщ²) - (H_К + бQ²_K/(2gщ²) = h_Д (1 - z^3-n1) + h_M (1 - z^3-n2). (16)

б) при розрахунку від початку трубопроводу величина п'єзометричного напору

H=H_П - б h_VКТ (z² - z²_П) - h_Д (z^3-n1 - z^3-n1_П) - h_M (z^3-n2 - z^3-n2_П); (17)

втрати напору

h_xП =H_П+ б Q²/(2gщ²) - (H + бQ²/(2gщ²) = h_Д (z^3-n1 - z^3-n1_П) + h_M (z^3-n2 - z^3-n2_П). (18)

2. При використанні рівняння гідравліки змінної маси (1):

1) довільний закон зміни витрати уздовж потоку величина п'єзометричного напору

H_n=H_{K +} ?(2 б₀ Q_i (Q_i - Q_i+1)/(gщ²_i)) + ?( л_еil_iQ²_i/(D_i2gщ²_i)); (19)

втрати напору

h_Wn=?(2 б₀ Q_i (Q_i-Q_i+1)/(gщ²_i))+?( л_eil_i Q²_i/(D_i 2gщ²_i))+ бQ²_n/(2gщ²_n)- бQ²_K /(2gщ²_K). (20)

2) рівномірна зміна витрати уздовж потоку

а) при розрахунку від кінця трубопроводу величина п'єзометричного напору

H=H_КТ + h_Дe (1 - z^3-n3) + 2б₀ h_VКТ (1 - z²); (21)

втрати напору

h_xK =H+ б Q²/(2gщ²) - (H_КТ + бQ²_KТ/(2gщ²) = h_Де (1 - z^3-n3) + h_VКТ (1 - z²).. (22)

б) при розрахунку від початку трубопроводу величина п'єзометричного напору

H=H_П - 2б₀ h_VКТ (z² - z²_П) - h_Де (z^3-n3 - z^3-n3_П); (23)

втрати напору

h_xП =H_П + б Q²/(2gщ²) - (H + бQ²/(2gщ²) = h_Де (z^3-n3 - z^3-n3_П) + h_VКТ б (z - z²_П). (24)

У формулах (12) - (24): i - номер ділянки трубопроводу між двома суміжними перерізами з'єднання витрат; щ - площа поперечного перерізу трубопроводу; б, б₀ - відповідно коефіцієнти кінетичної енергії та кількості руху; h_VКТ = Q²_KТ/(2gщ²); h_Д=л_КТ L h_VКТ /((3-n₁)D); h_М = ж_КТ N h_VКТ /(3--n₂); h_Дe=л_eКТ Lh_VКТ /((3-n₃)D); л_КТ, л_eКТ - відповідно гідравлічні коефіцієнти тертя при рівномірному русі та при зборі витрат для числа Рейнольдса, що відповідає витраті Q_KТ; ж_КТ - коефіцієнт місцевого опору, що відповідає витраті Q_KТ ; L=Q_КТL_П/(Q_КТ-Q_Т); N=Q_КТ N_П /(Q_КТ-Q_Т); L_П - перфорована довжина трубопроводу; N_П - кількість перерізів надходження рідини у трубопровід; z=Q/Q_КТ; z_П=Q_Т/Q_КТ.

Розрахунки показали, що різниця між дослідними та розрахунковими втратами напору на всій довжині трубопроводу-збирача в переважній більшості дослідів не перевищує 6…7 %, різниця між дослідними та розрахунковими витратами, які забираються трубопроводом, не перевищує 4 %.

У п'ятому розділі розглядаються методики гідравлічних розрахунків трубопроводів із дискретно змінними витратами уздовж потоку.

Однією із основних вимог до трубопроводів-збирачів систем водопостачання та водовідведення є рівномірний збір витрат по довжині трубопроводу. Оскільки п'єзометричний напір уздовж трубопроводу-збирача є змінним, то рівномірність збору витрат можна досягти за рахунок зміни по довжині трубопроводу площі отворів, що збирають витрату. Для цього можна використати запропоновані у роботі залежності, які враховують зміну гідравлічних опорів та пропускної здатності отворів перфорації уздовж потоку.

До трубопроводів з дискретно змінними витратами відносяться дренажні трубопроводи меліоративних систем.

Для визначення довжини дрени, що працює в режимі осушення, при допустимій зміні норми осушення уздовж дрени Да, в роботі, виходячи із результатів досліджень трубопроводів-збирачів, запропоноване рівняння

Да=k_Н(А/(2Re_КТ)+В/(2,5Re^2,5_КТ)+С/3)*(L_Д(q_ДL_ДВ_Д)²/(D2gщ²))+б(q_ДL_ДВ_Д)²/(gщ²), (25)

де q_Д - модуль дренажного стоку; L_Д - довжина дрени; В_Д - віддаль між дренами; D, щ - відповідно діаметр та площа поперечного перерізу дрени; б - коефіцієнт кінетичної енергії; A, B, C - емпіричні параметри, що враховують якість укладки, виготовлення та спосіб з'єднання дренажних трубок (приймаються за даними А. Ф. Дмітрієва); Re_КТ - число Рейнольдса при витраті у кінці (гирлі) дрени; k_Н - коефіцієнт, який введений нами для врахування додаткових втрат напору, що спричинені збором витрат. Згідно наших досліджень величини коефіцієнта k_Н можна, в середньому, взяти такими: якщо числа Рейнольдса, що обчислені за витратою Q_КТ в кінці трубопроводу, Re_КТ <20000, то k_Н=2,8, а при Re_КТ >20000 - k_Н=1,5.

Для гідравлічного розрахунку дрени, яка працює в режимі зволоження, в роботі, виходячи із результатів досліджень розподільчих трубопроводів, запропоноване рівняння

Да=(А/(2Re_Н)+В/(2,5Re^2,5_Н)+С/3)*(L_ДQ²_Н/(D2gщ²)) - бQ²_Н/(2gщ²), (26)

де Q_Н - загальна витрата, яка подається у дрену для зволоження; Re_Н - число Рейнольдса, що відповідає витраті Q_Н.

Результати розрахунків довжин дрен з урахуванням допустимої зміни норми осушення, що дорівнює 20 см, показали, що різниця між довжинами, які визначені за залежністю (25), яка враховує додаткові втрати напору у дрені при зборі витрат, та довжинами дрен, що визначені при умові рівномірного руху, складає 40…50 %.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що пов'язане з обгрунтуванням методики гідравлічних розрахунків трубопроводів із дискретно змінними витратами уздовж потоку.

На основі експериментальних досліджень доведено, що пропускна здатність отворів та насадків, які влаштовані в стінках трубопроводів-збирачів, є більша, ніж при витіканні рідини в атмосферу. При збільшенні транзитної швидкості у трубопроводі до 60 см/с, при числах Рейнольдса у насадках Re_o>12000, коефіцієнт витрати насадків збільшується до 12 %, а для отворів при чисел Рейнольдса Re_o>7000 - до 30…45 % в порівнянні з витіканням рідини через отвори (насадки) в атмосферу. При транзитній швидкості, яка більша 60 см/с, пропускна здатність насадків та отворів практично не збільшується.

Розроблені залежності для визначення пропускної здатності отворів та насадків, які влаштовані у стінках трубопроводів-збирачів.

Для дослідження руху рідини у трубопроводах із дискретно змінними витратами можна використати диференціальне рівняння гідравліки змінної маси (1) та диференціальне рівняння зміни повної питомої енергії (2) або (3).

Для оцінки еквівалентних коефіцієнтів гідравлічного тертя л_е у трубопроводах-збирачах можна використати залежність (6). Місцеві гідравлічні опори ж у трубопроводах-збирачах можна оцінити за залежністю (7).

На основі експериментальних досліджень доведено, що гідравлічні опори у трубопроводах-збирачах є більшими, ніж у турбопроводах із рівномірним рухом. Обумовлено це додатковими турбулентними напруженнями, що виникають при зборі витрат, а також утворенням додаткової шорсткості стінок трубопроводів отворами.

Втрати напору у трубопроводах при зборі витрат залежать від дискретності надходження рідини у трубопровід: чим більша дискретність, тим менші втрати напору. Зумовлено це взаємним впливом гідравлічних опорів.

Значення еквівалентного коефіцієнта гідравлічного тертя л_е у трубопроводах-збирачах можна визначати за формулою (11), а значення місцевих гідравлічних опорів ж - за формулою (9)

Гідравлічні розрахунки трубопроводів-збирачів можна виконувати за формулами (12), (14), (19), (20) при довільному законі зміни витрати уздовж потоку, та за формулами (15), (16), (17), (18), (21), (22), (23), (24) при лінійній зміні витрати уздовж потоку.

Для гідравлічного розрахунку дрен можна використати залежності (25), (26).

При розрахунку довжин дрен за умови існування в них рівномірного руху не враховуються додаткові втрати напору, які зумовлені з'єднанням потоків, що призводить до помилок при визначенні зміни рівня грунтових вод уздовж дрен.

Результати досліджень і розробок впроваджено на Сарненській дослідній станції Інституту гідротехніки і меліорації УААН в проекті реконструкції дослідної осушувально-зволожувальної системи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Статті у фахових виданнях

1. Волощук В. А. Гідравлічні опори в трубопроводах з дискретним зростанням витрат // Водне господарство України. - Київ, Держводгосп України, 2000, № 5, 6. - с. 32 - 34.

2. Волощук В. А. Дослідження гідравлічних опорів в трубопроводах з дискретно зростаючими витратами // Вісник Рівненського державного технічного університету. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Збірник наукових праць. - Рівне, 1999. - спецвипуск. - с. 101 - 105.

3. Науменко І. І., Волощук В. А. Гідравлічні розрахунки дренажних трубопроводів осушувально-зволожувальних систем // Вісник Рівненського державного технічногоуніверситету. Збірник наукових праць. - Рівне, 2000. - с. 146 - 152.

4. Науменко І. І., Мороз С. М., Волощук В. А. Гідравлічні розрахунки дренажних трубопроводів // Водне господарство України, - 1997. - спецвипуск. - с. 40 -42.

5. Науменко І.І., Мороз С.М., Волощук В. А. Пропускна здатність насадків при наявності транзитних швидкостей // Вісник Української державної академії водного господарства. Збірник наукових праць. - Рівне, 1998. - випуск 1, частина 2. - c. 63-66.

6. Науменко І.І., Мороз С.М., Волощук В. А. Пропускна здатність насадків та отворів, влаштованих в трубопроводах-збирачах // Вісник Рівненського державного технічного університету. Збірник наукових праць. - Рівне, 1999. - випуск 2, частина 1. - с. 182-185.

Інші статті та тези доповідей

7. Волощук В. А. Пропускная способность насадков и отверстий при наличии транзитных скоростей // Проблемы мелиорации и водного хозяйства на современном этапе. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию высшего мелиоративного образования в республике Беларусь. - Горки, 1999. - ч. 2. - с. 146-149.

8. Науменко І.І., Мороз С.М., Волощук В. А. Гідравлічні опори в трубопроводах із зростаючими витратами // Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. - Рівне. Видавництво УДАВГ 1997. - Том 1. - c. 76-79.

Размещено на Allbest.ru