Регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин гідродинамічно активними додатками
Зменшення нерівномірності дискретної шляхової роздачі води з напірного розподільчого трубопроводу. Умови стабілізації витрат рідини у трубах зі змінним напором на вході. Аналіз математичної моделі подачі гідродинамічно активних додатків у капсулах.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 25.07.2015 |
| Размер файла | 145,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Київський національний університет будівництва і архітектури
УДК 532.135:532.542
05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук
Регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин гідродинамічно активними додатками
Чернюк Володимир
Васильович
Київ - 2010
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі гідравліки та сантехніки Національного університету «Львівська політехніка».
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кріль Степан Іванович, завідувач відділу двофазних потоків інституту гідромеханіки НАН України доктор технічних наук, професор Ступін Олександр Борисович, завідувач кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології і екології Донецького національного університету, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Рябенко Олександр Антонович, завідувач кафедри гідроенергетики і гідравлічних машин Національного університету водного господарства та природокористування
Захист відбудеться “…...”…………………2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.
Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада Д 26.056.07.
Автореферат розіслано “……”………..………2010 р.
1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Енергетична криза, що охопила світ, спонукала людство до активного пошуку шляхів енергоощадності. Державний комітет України з науки та техніки поставив задачу й надалі розробляти та впроваджувати в господарство країни ресурсо- й енергоощадні технології. Істотним джерелом економії енергії є зменшення гідродинамічного опору та розробка енергоощадних засобів керування напірними потоками рідин в трубопровідних системах. Серед відомих способів послаблення турбулентного тертя одним із найпоширеніших є уведення в потік малих кількостей гідродинамічно активних додатків.
Невід'ємними частинами багатьох технічних пристроїв є гідравлічні системи, що містять трубопроводи, регулятори витрати та тиску. Розповсюджені засоби гідроавтоматики. На підприємствах нафтопереробної, нафтохімічної та хімічної промисловості сумарна довжина технологічних трубопроводів сягає десятків кілометрів, а їх вартість рівна 25-30 % від затрат на все устаткування. Тривалість спорудження трубопроводів становить 50 % від часу будівництва всього об'єкта. При проектуванні на них припадає біля 30 % від усіх трудозатрат. Від якості проектування і спорудження трубопровідних систем істотно залежить економність, надійність і безпека експлуатації технологічних установок.
В більшості виробництв поширені трубопровідні системи, у яких реалізується рух рідини зі змінною її витратою. Застосовуються розподільчі трубопроводи та трубопроводи-збирачі, прокладені у потоці рідини, що омиває їх зовні. Надійні методи розрахунку, що беруть до уваги усі геометричні параметри перфорованого трубопроводу й гідродинамічні характеристики внутрішнього та зовнішнього потоків рідин а також струменів, які приєднуються до перфорованого трубопроводу або відгалужуються від нього, відсутні. Не вивчено вплив гідродинамічно активних додатків на роботу розподільчих трубопроводів та трубопроводів-збирачів.
Ефективне регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин потребує знання й застосування законів гідродинаміки, зокрема з урахуванням дії гідродинамічно активних додатків. Послаблюючи турбулентне тертя у циліндричних трубах, додатки здатні багаторазово збільшувати опір форми в трубах змінного перерізу. Цю особливість гідродинамічно активних додатків здобувачем уперше застосовано до розробки енергоощадних засобів керування напірними потоками рідин. Перевагами винайдених засобів є вибухобезпечність, нечутливість до електромагнітних полів, можливість роботи при відносно високих вібраціях, живлення лише гідравлічною енергією, низька вартість. Створення таких технологій і впровадження їх у виробничі процеси, враховуючи широке застосування напірних трубопровідних систем, має важливе значення для України і є актуальним напрямком наукових досліджень.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно державної програми “Про пріоритетні напрями розвитку науки й техніки” і тісно пов'язана з планами держбюджетної тематики кафедри гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”, що виконується на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ державної реєстрації 0107U004986).
Мета і завдання дослідження. Мета роботи - науково обґрунтувати та розробити засоби енергоощадного керування напірними потоками рідин у трубопроводах за допомогою гідродинамічно-активних додатків, включаючи рух рідини змінної витрати, встановити закономірності впливу цих додатків на інтегральні параметри потоків рідин.
Задачі, що розв'язувались для досягнення поставленої мети:
- провести аналіз робіт про засоби керування напірними потоками та вплив гідродинамічно активних додатків на гідравлічні параметри напірних потоків;
- теоретично обґрунтувати методи керування напірними потоками рідин за допомогою гідродинамічно активних додатків, включаючи регулювання витрати рідини в трубопроводі, перерозподіл витрат плинного середовища, зменшення нерівномірності роздачі та збирання рідини перфорованими трубопроводами;
- розробити методику експериментального дослідження структури потоків рідин у круглих трубопроводах із місцевими гідравлічними опорами;
- експериментально дослідити закономірності впливу різних гідродинамічно активних додатків на інтегральні параметри напірних потоків рідин у раптових звуженнях і раптових розширеннях труб;
- поглибити фізичне тлумачення механізму дії гідродинамічно активних додатків на інтегральні параметри напірних потоків рідин і отримати розрахункові залежності для обчислення коефіцієнтів місцевих втрат напору в трубопроводах з урахуванням впливу полімерних додатків;
- винайти засоби ресурсо- та енергоощадного регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин уведенням у них гідродинамічно активних додатків й дати оцінку ефективності запропонованих способів і пристроїв.
- на основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень розробити методики гідравлічних розрахунків напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів а також підготовити рекомендації для їх проектування.
Об'єкт дослідження: напірні потоки рідин з гідродинамічно активними додатками.
Предмет дослідження: вплив гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору в трубопроводах і розробка засобів регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин.
Методи досліджень: застосовано методи математичного моделювання руху рідини змінної витрати, регулювання параметрів напірних потоків за допомогою гідродинамічно активних додатків, подачі їх у капсулах на вибій свердловини; фізичне моделювання впливу гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору; використано експериментальні дані для апробації методу розрахунку напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів.
Наукова новизна одержаних результатів:
- диференціальні рівняння напірного руху рідини змінної витрати доповнено компонентою зовнішнього гідродинамічного тиску; запропоновано новий підхід до розв'язання диференціальних рівнянь руху рідини змінної витрати для напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів, суть якого полягає у зведенні змінних величин названих рівнянь до повного робочого напору у цих трубопроводах з урахуванням усіх геометричних параметрів і гідродинамічних характеристик внутрішнього та зовнішнього потоків і струменів, які від'єднуються чи приєднуються, що підвищує точність розрахунку вказаних трубопроводів;
- обґрунтовано зменшення нерівномірності дискретної шляхової роздачі рідини з напірного розподільчого трубопроводу і притоку її до напірного трубопроводу-збирача уведенням у потік гідродинамічно активних додатків;
- теоретично обґрунтовано умови стабілізації витрати рідини у трубопроводі, зі змінним напором на вході, уведенням у потік гідродинамічно-активних додатків;
- теоретично доведено здійснимість, за допомогою уведення в потік гідродинамічно активних додатків, перерозподілу витрат рідини між декількома трубопроводами, що містять ділянки паралельно з'єднаних циліндричних трубок, або трубок періодичного змінного перерізу;
- розроблено математичну модель подачі гідродинамічно активних додатків у капсулах (гранулах) на вибій свердловини з урахуванням їх розгону і подальшого вільного падіння у газовому середовищі міжтрубного простору свердловини, далі перетину ними границі розподілу фаз газ-рідина, з наступним гальмуванням капсул у рідині та зависанням у зустрічному потоці рідкого продукту свердловини, де додатки починають діяти на потік рідини, що добувається;
- отримано залежності значень коефіцієнтів гідравлічного опору раптових звужень і раптових розширень труб від їхніх геометричних параметрів і концентрації додатків поліакриламіду у турбулентному потоці води;
_ дано одне з можливих фізичних тлумачень дії гідродинамічно активних додатків на втрати напору у плавних і раптових звуженнях і розширеннях труб;
- виявлено залежність гальмівного моменту гідрогальма від ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з гідродинамічно активними додатками.
Практичне значення отриманих результатів.
Винайдені засоби керування напірними потоками рідин мають такі переваги: приводяться в дію силами гравітації; доцільні з точки зору виключення використання різних видів енергії (електричної, гідравлічної, пневматичної) в одній системі; функціонують автоматично; надійні при застосуванні на об'єктах з відносно високими вібраціями і запиленістю, та у вибухонебезпечних умовах; нескладні в реалізації й порівняно недорогі. Мають соціальне й екологічне значення.
Методики розрахунку напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів упроваджено в навчальний процес у Національному університеті “Львівська політехніка”.
Методику зменшення нерівномірності роздачі води з напірних розподільчих трубопроводів полімерними додатками впроваджено з річним економічним ефектом 67,0 тис. грн. в інституті “Укрдіпросад”, м. Сімферополь.
Технологію автоматичної стабілізації витрати води за допомогою полімерних додатків в автоматизованих протипожежних системах при змінному рівні в живильному резервуарі впроваджено з річним економічним ефектом 192 тис. грн. в Управлінні державної пожежної охорони МВС України у Львівській області.
Запропоновану технологію перерозподілу витрат потоків рідини уведенням в них полімерних додатків упроваджено з річним економічним ефектом 10,3 тис. грн. у ТзОВ Виробничо-впроваджувальна фірма “Пансемал”, м. Яворів.
Спосіб регулювання гальмівного моменту гідрогальма змінюванням ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з гідродинамічно активними додатками рекомендуються застосовувати в стендових випробовуваннях двигунів у машинобудуванні.
Особистий внесок здобувача. Наукові положення представленої роботи отримані та сформульовані здобувачем особисто. Теоретично обґрунтовано керування напірними потоками рідин за допомогою гідродинамічно активних додатків (спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі; спосіб перерозподілу витрат плинного середовища; зменшення нерівномірності роздачі та збирання рідини уздовж напірних перфорованих трубопроводів), а також умови подачі капсул із гідродинамічно активними додатками на вибій свердловин. Дисертантом розроблено методику візуалізації структури потоків рідин у круглих трубах. Експериментально досліджено вплив гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору. Винайдено енергоощадні засоби керування потоками рідин. Результати теоретичних досліджень здобувача опубліковані одноосібно. У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить постановка завдань, розробка методик досліджень, проведення експериментів, обробка результатів і їх аналіз, висновки, а у винаходах - ідеї та формули винаходів.
Апробація результатів дисертації. Найважливіші результати та головні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних конференціях Національного університету “Львівська політехніка” а також на інших науково-технічних конференціях різних рівнів: “Оптические методы исследования потоков” (Новосибирск, 1993); “Budownictwo i Inzynieria Srodowiska” (Rzeszьw (Poland), 1995, 2009); “Wyznania stawiane komunalnym systemom gospodarki wodno-њciekowej u progu XXI wieku” (Rzeszуw (Poland), 1999); “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” (Львів, 2001); “VII Vedeckб konferencia s medzinбrodnou ъиasќou” (Koљice (Slovakia), 2002); “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (Київ, 1998, 2000, 2010; Черкаси, 2003); Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (Вінниця, 2002; Київ, 2004; Львів, 2005, 2009); “Проблеми водного господарства” (Рівне, 2006, 2009).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 36 наукових роботах, серед яких 29 у фахових виданнях, 2 патенти на винаходи, 20 праць - одноосібні.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація включає зміст, прийняті позначення, вступ, шість розділів, висновки, список основної використаної літератури з 296 найменувань і 6 додатків. Робота містить 114 рисунків і 4 таблиці. Загальний її обсяг 328 стор., у т. ч. 35 стор. список використаних джерел і 13 стор. додатки.
2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ містить обґрунтування: актуальності проблеми керування напірними потоками рідин; необхідності вивчення впливу гідродинамічно активних додатків (ГДАД) на втрати енергії напірних потоків рідин у місцевих гідравлічних опорах (МГО) трубопроводів. Викладені мета й задачі досліджень, новизна та практичне значення отриманих результатів, їх достовірність, реалізація й апробація.
У першому розділі описано засоби і проблеми керування напірними потоками. Показано, що регулювання тиску відомими засобами здійснюється лише в напрямку його зменшення, а енергія струменів керування втрачається безповоротно. У низці випадків регулювання тиску вимагає одночасного використання різних видів енергії в одному пристрої: електричної, гідравлічної і пневматичної, що ускладнює процес.
Засоби регулювання витрат рідини віднесено до трьох груп: а) фізична дія на потік; б) змінювання параметрів стінок труб; в) змінювання властивостей рідини. Половина з відомих засобів регулювання витрат рідини припадає на керування властивостями плинних систем, яке направлене на пониження їхньої в'язкості, та на уведення в потік ГДАД, що свідчить про актуальність цього напрямку досліджень.
У другому розділі подано аналіз робіт про вплив ГДАД на інтегральні параметри напірних потоків. Застосування ГДАД у поєднанні з іншими способами послаблення турбулентного тертя (ПТТ) отримують результат, рівний сумі ефектів від дії кожного з цих методів, зокрема, а то й вищий. Інжекція висококонцентрованих розчинів поліакриламіду (ПАА) та поліоксидетилену (ПОЕ) у турбулентний потік води викликає таке ж ПТТ, як їх розчини, приготовлені заздалегідь. Економічно ефективними полімери є при їх комплексному використанні: для виконання різних задач і поєднанні з іншими методами ПТТ.
Вагомий внесок у вивчення ефекту внесли: A. G. Fabula, J. W. Hoyt, D. F. James, S. Virk, В. Н. Калашников, Г. Ф. Кобец, Л. П. Козлов, С. С. Кутателадзе, І. К. Нікітін, І. Л. Повх, Н. А. Покривайло, Л. І. Сєдов, О. Б. Ступін, Є. М. Хабахпашева та ін. Вплив ГДАД на втрати енергії у МГО досліджували: H. G. Bate, A. N. Magnall, Shima Nobuyki, Masakazu Kita, V. G. Pisolkar, Motoyoshi Tachibana, J. Harris, Jan Љvec, В. Б. Амфілохієв, Р. М. Гнатів, В. М. Жук, Е. В. Залуцкий, Ю. Ф. Іванюта, Б. В. Ліпатов, В. І. Орел, Б. С. Піцишин, Б. Н. Семенов, Л. А. Чекалова, О. М. Яхно.
Послаблюють турбулентне тертя (ТТ) малі анізометричні частинки. Найефективнішими з ГДАД є високомолекулярні сполуки з ланцюжковою будовою молекул й міцелотворні поверхнево-активні речовини (МПАР). Унаслідок великого градієнта швидкостей у в'язкому підшарі та буферному поясі видовжені частинки орієнтуються більшими осями вздовж потоку, спричинюючи анізотропію динамічної в'язкості і нерівномірне поглинання турбулентної енергії за різними напрямками. Макромолекули полімеру пригнічують тільки малі турбулентні вихори, сумірні з ними, демпфіруючи пульсації у в'язкому підшарі та перехідному поясі. При віддаленні від стінки масштаб дисипативних вихорів у потоці зростає, а взаємодія макромолекул з вихорами послаблюється і припиняється.
Досліджувався вплив різних ГДАД на втрати енергії у МГО. З'ясовано, що з урахуванням масштабного ефекту літературні дані узгоджуються між собою. Б. В. Ліпатов встановив, що зі збільшенням довжини підвідної труби перед МГО вплив полмерних додатків на значення коефіцієнта МГО зростає. Причиною цьому є попереднє пригнічування в ній турбулентності, викликане орієнтаційним ефектом анізометричних частинок ГДАД. При ламінарному русі вплив полімерних додатків на місцеві втрати напору мало помітний або ж відсутній.
Методики візуалізації структури напірних потоків розроблені тільки для плоских труб, а результати їх досліджень переносились, з певними допущеннями, на потоки у МГО круглих труб. Опубліковані залежності f несистематичні й потребують доповнень в ширших діапазонах критерію Рейнольдса , концентрацій ГДАД , ступенів звуження і ступенів розширення потоків.
Публікації про застосування ГДАД для керування потоками рідин не виявлені.
Опираючись на аналіз літературних даних і враховуючи актуальність теми та господарські потреби країни визначені мета й задачі дисертаційних досліджень.
У розділі 3 теоретично обґрунтовано методи керування напірними потоками рідин за допомогою ГДАД.
Подача капсул із додатками на вибій свердловини. У системах нафто- і газодобування гранульовані або капсульовані ГДАД доцільно уводити на вибій свердловини. Тоді вони послаблюють ТТ, починаючи з підіймальної труби. На ділянці 0-1 (рис. 1,а,б) капсула (гранула) прискорюється у газовому середовищі міжтрубного простору від швидкості = 0 до . Швидкість рівномірного падіння установиться в точці 1 (рис. 1,б), коли сила ваги G урівноважиться архімедовою силою Р і силою опору середовища R (рис. 1,в). Увійшовши в точці 2 у рідину, капсула заповільнюється на ділянці 2-3 до швидкості з якою рівномірно опускається до точки 4, де на неї набігає зустрічний потік продукту свердловини, що гальмує її. При швидкості висхідного потоку рідини, рівній капсула, сповільнюючись, зависне в точці 5, де її оболонка руйнується, і ГДАД починають послаблювати ТТ у потоці рідини.
а - профіль свердловини; б - епюра швидкостей капсули; в - сили, що діють на капсулу
Зміна швидкості руху капсули (гранули) в часі описується, згідно з другим законом Ньютона, рівнянням
де - густина капсули, - густина середовища; - об'єм капсули; - коефіцієнт лобового опору капсули; - міделева площа (рис. 1,в).
Результатом розв'язку рівняння (1) є формули для обчислення довжин ділянки прискорення 0-1 і ділянки гальмування 2-3 капсули відповідно:
де ; t1 - час розгону капсули до швидкості 1; t2 - час її гальмування від до :
З (1) отримано відомі формули для швидкостей і рівномірного падіння капсули, що має форму кулі. Це підтверджує правильність інших виведених виразів.
Швидкості падіння капсули на ділянках 0-1 і 2-3 відповідно рівні:
Діаметр капсули, який необхідний для того, щоб вона зависла в продукті свердловини, що набігає на неї зі швидкістю :
Регулювання витрати рідини у трубопроводі. Уведенням ГДАД у потік послаблюється гідравлічний опір трубопроводу пропорційно падінню напору на його початку. Для турбулентних течій водних розчинів ПАА з масовими концентраціями коефіцієнт Дарсі для труб малих діаметрів з великим ступенем точності змінюється залежно від С за лінійним законом:
,
де - гідравлічний коефіцієнт тертя для рідини з ГДАД; - те саме, без додатків; - коефіцієнт пропорційності. Нами доведено, що для стабілізації витрати рідини Q в трубопроводі при змінному напорі Н на його вході (рис. 2) концентрація С ГДАД у потоці повинна лінійно залежати від напору (7):
де ;
діаметр трубопроводу; його довжина; коефіцієнт Коріоліса; сума коефіцієнтів місцевих гідравлічних опорів.
Необхідна подача маточного розчину ГДАД у потік рідини в трубопроводі:
де масова концентрація маточного розчину ГДАД. Виявлено, що коли висота подавального резервуара (рис. 2), то витрата рідини в трубопроводі стабілізуватиметься додатками до повного спорожнення резервуару.
Перерозподіл витрат рідини між трубопроводами уведенням ГДАД може застосовуватись у технологічних процесах, коли необхідно періодично збільшувати подачі одних трубопроводів, а інших - зменшувати. На кожному з трубопроводів 3-5 (рис. 3) встановлено ділянку паралельно з'єднаних циліндричних трубок 6, або, те саме, - трубок періодичного змінного перерізу (ТПЗП) 7. Діаметри трубопроводів підбирають настільки більшими від , щоб весь наявний напір витрачався на подолання гідравлічного опору ділянок паралельно з'єднаних циліндричних трубок або ТПЗП.
За відсутності ГДАД у потоці рідини співвідношення витрат для пари трубопроводів, один з яких містить ділянку паралельних циліндричних трубок (Ц), а другий ділянку паралельних ТПЗП, таке:
і - відповідно кількість паралельних циліндричних трубок та ТПЗП; , - діаметри трубок; - їх довжини; , - відповідно напори на трубопроводах 3 і 4 . При наявності ГДАД у потоці співвідношення витрат рідини для цієї пари трубопроводів зміниться і може максимально зрости на порядок:
При відсутності ГДАД у потоці = 1, =1.
Дискретна шляхова роздача рідини з напірного розподільчого трубопроводу (РТ) зустрічається в іригації, водопостачанні, водовідведенні, вентиляції, металургійній промисловості й ін. На практиці реалізується нерівномірна роздача рідини. На основі рівнянь І. В. Мещерського (1897, 1904 р.) І. В. Маккавеєв у 1928 р. вивів диференціальне рівняння руху рідини змінної витрати (ДРРРЗВ). У 1937 р. Я. Т. Ненько одержав ДРРРЗВ для цілого потоку. Г. А. Петров записує його так:
де передостанній член відноситься до приєднання маси, а останній - до її відділення; ; ; й - кути між векторами швидкостей основного потоку і струменя , що приєднується (від'єднується), відповідно у трубопроводі-збирачі (ТЗ) і в РТ. Для циліндричного РТ за умови, що , рівняння (13) набуває виду:
Основи розв'язання ДРРРЗВ заклали Datei Claudio, В. В. Смислов, Ю. М. Константінов, О. А. Василенко, О. Я. Олійник, Н. О. Єзерський, І.І. Науменко, А.М. Кравчук, В.Н. Коваленко, В.І. Бойко, В.М. Жук, Д.О. Чернишов.
Із гідравлічного рівняння зміни кількості руху з урахуванням сили , яка заміняє дію відкиненої частини струменя, що від'єднується (рис. 4), здобувачем отримано доповнене ДРРРЗВ для напірних розподільчих трубопроводів:
У рівнянні (15) сила урахована доданком .
Основний потік усередині РТ формується від'єднанням від нього дискретних струменів, які під дією повного напору витікають зі швидкостями через випускні отвори у стінці РТ: . Змінні , , , , , , рівняння (15) виражено через повний напір і незалежну змінну відстань х.
Швидкості струменів, які від'єднуються
де ;
_ повний тиск внутрішнього потоку рідини у кінці розрахункової ділянки РТ довжиною (рис. 5,а);
_ те саме, зовнішнього потоку рідини; _ густина рідини усередині РТ; _ те саме, зовні РТ; _ кут між векторами швидкостей струменя, що від'єднується (у вихідному перерізі отвору-випуску) та зовнішнього потоку (рис. 5,б); _ швидкість потоку усередині РТ. Диференціал п'єзометричного напору потоку рідини усередині РТ
де n -кількість отворів, яка припадає на одиницю довжини РТ, ;
- площа одного випускного отвору; - коефіцієнт його витрати;
Диференціали витрати і середньої швидкості переміщення рідини усередині РТ
де - площа поперечного перерізу розподільчого трубопроводу.
Витрата рідини, що транспортується всередині розподільчого трубопроводу
де - витрата на вході в РТ. Середня швидкість потоку усередині РТ:
Диференціал втрат напору на нескінченно короткій ділянці РТ довжиною
Підставивши (16), (17), (21), (23), (24) у рівняння (15), одержали нелінійне інтегро-диференціальне рівняння напірного руху рідини з дискретною шляховою роздачею маси для циліндричного РТ відносно невідомої функції :
Наприклад, ділянки опору гідравлічно гладких труб зони турбулентного режиму руху рідини коефіцієнт і його диференціал з урахуванням (23) записуються так:
Рівняння (25) зведено до вигляду:
де - коефіцієнти. Експериментальні дослідження показали, що невідома функція має параболічний вид. Отож у рівняння (30) уведено заміну:
Взявши граничні умови для початку РТ: одержали . З урахуванням (28) та (16) отримали формулу (33), яку записано за умови розрахунку РТ ходом проти потоку (рис. 6). Вираз (33) справедливий для ламінарної і турбулентної течій рідини.
_ шпаруватість РТ на розрахунковій ділянці
; ; .
За рівнянням обчислюється витрата рідини усередині РТ. На ділянці вона зростає у напрямку до початку РТ на величину, яка чисельно рівна шляховій роздачі рідини з РТ на цій же ділянці. Залежність (34) для обчислення повних напорів в РТ ходом проти потоку (рис. 6) отримано диференціюванням рівняння (33).
Застосування заміни (31) спричинило уведення емпіричного коефіцієнта = 0,9 у розрахункову формулу (34) перед усіма доданками, окрім першого .
Гідравлічний коефіцієнт тертя обчислюють за формулами (35)-(38):
при (ламінарний режим течії),
для < 10 (ділянка гідравлічно гладких труб)
,
,
для > 500 (гідравлічно шорсткі труби)
,
а значення критерію Рейнольдса встановлюють за формулою
На виході із РТ у перерізі (рис. 6) витрата рідини рівна , повний робочий напір . Ним задаються, виходячи з необхідного значення витрати рідини крізь останній отвір
.
Отриманий розв'язок перевірено експериментально. Криві 2 для повних напорів (рис. 7,а) і витрат води усередині РТ (рис. 7,б), які отримані за формулами (33)-(39) з урахуванням змінних значень коефіцієнтів витрат водовипускних насадок , практично співпадають з дослідними точками 1 (внутрішні діаметри РТ =8,21 мм; діаметр водовипускних насадок _ = 3,2 мм, їх довжини =25 мм).
Нерівномірність шляхової роздачі рідини з РТ усувається зменшенням за допомогою ГДАД втрат напору на ділянках з найвищими швидкостями потоку, тобто на початку і в середній частині РТ, де додатки найефективніше зменшують гідравлічний опір тертя. За відсутності транзитної витрати в кінці РТ, де , (режим течій ламінарний і п'єзометрична лінія близька до горизонтальної) немає необхідності в послабленні ТТ. Там, ГДАД не змінюватимуть опору РТ, оскільки проявляють свою дію лише при турбулентному русі.
2 - за формулами (33)-(39); шпаруватість РТ f = 1,469; відстані між п'єзометрами різні вздовж ТЗ; також неоднакові відстані між випускними насадками (вісь х направлена зустрічно основному потоку в РТ)
Меншому значенню коефіцієнта у (33) відповідає більша витрата рідини, що роздається із РТ (хід зустрічно потоку в РТ). А з (34) видно, що з зменшенням послаблюється напір у кінці розрахункової ділянки . Це підтверджено експериментально (рис. 8). Додатки ПАА при їх масовій концентрації у воді за рахунок послаблення ТТ по довжині РТ збільшили п'єзометричний напір на останній третині РТ на 82,4 %, а при - на 179,1 % (рис. 8). Відповідно нерівномірність шляхової роздачі рідини зменшилась на 20,6 % для , а при - на 36,1 %, що є істотним і може з успіхом застосовуватись на практиці.
Напірний рух рідини зі шляховим приєднанням маси. Притік до трубопроводу-збирача (ТЗ) зростає вздовж потоку. Для циліндричного ТЗ ДРРРЗВ є таким:
Запропоновано низку методик розрахунку ТЗ: О. А. Василенко, В. А. Волощук, А. Ф. Дмитрієв, А. М. Кравчук, Ю. М. Константінов, І. І. Науменко, О. Я. Олійник, М. М. Пивовар, В. В. Смислов, М. М. Хлапук й ін.
З урахуванням сили , яка заміняє дію відкиненої частини струменя, що приєднується (рис. 9), для циліндричного ТЗ отримано доповнене ДРРРЗВ:
Змінні , , , , , , виражено через повний напір , під дією якого струмені входять у ТЗ, і через незалежну змінну відстань х. Отримано нелінійне інтегро-диференціальне рівняння напірного руху рідини з дискретним шляховим приєднанням маси для циліндричних ТЗ відносно невідомої функції
Для обох режимів течії рідин розв'язком рівняння (42) є вираз (43). Розрахунок ТЗ ведуть від його голови ходом за течією (рис. 10). Встановлюють значення параметрів і на вході в ТЗ. За формулою (43) обчислюють витрату рідини, що приєднується до основного потоку в ТЗ на ділянці довжиною .
апір Z(x) одержано диференціюванням рівняння
Коефіцієнт обчислюють за формулами (35)-(38), а - за (39). Для ТЗ при відносному кроці вхідних насадок = 4,3243,2, = 46,3 мм коефіцієнт = 1,3…2,3.
Значення повних робочих напорів та витрат рідини усередині ТЗ, обчислені за методикою здобувача, добре узгоджуються з результатами експериментів (рис. 11). Використано дослідні дані В. А. Волощука (НУВГП, Рівне, 2001). Значення коефіцієнтів витрат вхідних насадок:
,
де
_ критерій Рейнольдса для приєднуваного струменя при теоретичній швидкості його течії крізь насадку (отвір).
Отримані розрахункові залежності справедливі для коротких, проміжних і довгих ТЗ. Перевагою методу здобувача є урахування кута поздовжнього нахилу ТЗ, кута приєднання струменів, гідродинамічного тиску зовнішнього потоку рідини, фізичних властивостей рідин внутрішнього та зовнішнього потоків, зміни уздовж ТЗ законів його гідравлічного опору.
Нерівномірність притоку до ТЗ усувається зменшенням за допомогою ГДАД втрат напору на перевантажених його середніх і пригирлових ділянках, де швидкості потоку найвищі. Це підтверджується отриманим виразом (44), згідно з яким зі зменшенням значення понижується робочий напір у кінці розрахункової ділянки .
4,32 та 0,0026 м (1, 4); 12,5 і 0,1481 (2, 5); 43,19 і 0,2845 (3, 6); 1-3 - дані експерименту; 4-6 - результати обчислень за формулами(35)-(39), (43), (44); = 46,3 мм; =10 мм; ; ; ; - відстані між вхідними насадками
Течія рідини між ексцентричними ротором і статором реалізується у винайденому здобувачем гідравлічному гальмі з регулювальним гальмівним моментом. Показано можливість керування гальмівним моментом гідрогальма регулюванням ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з ГДАД. Вплив стінки статора на розподіл пристінних течій розчинів ГДАД у низці випадків є вирішальнішим, ніж діаметр статора та швидкість обертання ротора. Гальмівний момент , що прикладений до бічної поверхні ротора:
де - дотичне напруження на стінці ротора, ; - динамічна в'язкість; - градієнт швидкості рідини за нормаллю до поверхні ротора. вода трубопровід напір гідродинамічний
Крутильний момент , що його передає рухома рідина на статор
де - градієнт швидкості потоку за нормаллю до поверхні статора.
Проекціями живих перерізів потоку робочої рідини на площину, нормальну до осей ротора й статора, є криві, ортогональні до бічних поверхонь обох циліндрів. При потенційних течіях - це дуги кіл. Отримано залежності для обчислення довжин живих перерізів потоку в замкненому конфузорно-дифузорному проміжку між ексцентричними ротором і статором.
У четвертому розділі зроблено обґрунтування об'єктів досліджень, подано планування експериментів, наведено характеристики застосованого устаткування.
Стенд витиснювально-циркуляційного типу включає експериментальний трубопровід зі змінними секціями труб з внутрішніми діаметрами від 3,91 до 50,2 мм і робочим напором Н = 3,5 м. Розчини полімерів рухались під дією сил гравітації. У стенді для вивчення структури потоків вузол візуалізації (рис. 12,а,в,г) установлено на експериментальному трубопроводі з D = 96,0 мм і Н = 19 м.
Запропоновано методику візуалізації структури потоків рідин у МГО круглих труб. Лінії течії встановлюються швидкісними кіно- та фотозйомками. Швидкості рідини уточнюються за допомогою винайденого лазерного допплерівського вимірювача швидкості (А. с. 1679384 СССР, М. кл.5 F G 01P 3/36).
Тонкий плоский відсік потоку прозорої рідини у будь-якій з осьових площин круглої труби з прозорими стінками (рис. 13), що містить МГО, візуалізується плоским світловим потоком з уведенням у потік суспензії алюмінієвої пудри.
Розроблено пристрій для створення плоского світлового потоку.
У дослідах використовувались водні розчини таких ГДАД: високомолекулярні сполуки: ПАА - технічний гель з концентрацією 8 %, ТУ 6-01-1049-81; Polyox Coagulant (ПОЕ) - порошок з молекулярною масою біля американської компанії “Union Carbide”; міцелотворнні поверхнево-активні речовини (МПАР): Metaupon OMT; Ditalan OTS-45 - промислові пасти підприємства “Walter Ulbricht” (Східна Німеччина).
Концентрації приготовлюваних розчинів ГДАД обчислювали за масою їх чистої речовини у гелі чи пасті. Сумарна відносна похибка знаходження коефіцієнта Дарсі для труби = 5,81 мм при рівна 6,24 %, а при - 1,25 %, а для коефіцієнтів опору конфузорів й дифузорів, при - 9,3 %.
У п'ятому розділі подано результати експериментальних досліджень впливу ГДАД на втрати енергії у трубах і МГО, проведених з метою перевірки теоретичних положень та поглибленого вивчення явища.
Гладкостінні труби. При ламінарному режимі руху ГДАД не послаблюють опору труб, однак ламінаризують турбулентні течії, затягуючи турбулентний перехід до більших чисел Рейнольдса, який при концентраціях розчинів ПАА кг/кг є стрибковим (рис. 14).
Теоретично можливе п'ятикратне ПТТ, що підтверджується залежністю (47) для труб D 34 мм при течіях розчинів ПАА з при = 30000
Оптимальні концентрації для розчинів полімерів і МПАР різні: для ПОЕ; - для ПАА; - для метаупону (рис. 15).
Обчислювались гідродинамічна ефективність досліджуваних розчинів та відносна зміна коефіцієнта опору , викликані наявністю додатків:
де , - коефіцієнт Дарсі для труби при течії відповідно води та водного розчину ГДАД, за однакових інших умов; , - те саме, коефіцієнт місцевого опору.
У ребристій трубі Aquadrop ГДАД істотніше потовщують турбулентний примежовий шар і перехідний пояс потоку порівняно з гладкими трубами такого ж діаметра.
Раптові звуження труб (РЗТ) є частинними випадками конфузорів з . Ступінь звуження труби обчислюють за формулою:
Зменшення ступеня звуження потоку у раптовому звуженні труби відповідає зростанню деформації течії. У РЗТ потік, відірвавшись від стінок, продовжує звужуватись після входу у трубу меншого діаметра , після чого розширюється, досягаючи стінок туби. З причини складних деформацій потоку в РЗТ ГДАД збільшують його гідравлічний опір (рис. 16) на порядок вище, аніж опір раптових розширень труб за тих же значень діаметрів, і .
При масових концентраціях водних розчинів ПАА у залежностях й реалізуються стрибкові переходи від турбулентної до ламінарної течії, при яких коефіцієнт Дарсі зростає (рис. 14), а коефіцієнти місцевих опорів зменшуються (рис. 16 і рис. 19). Для РЗТ з ростом значення ступеня звуження потоку абсциса стрибка турбулентного переходу переміщається до більших чисел Рейнольдса. Зростання значення m відповідає послабленню деформації потоку і, як наслідок, ламінарний режим реалізується при вищих швидкостях течії. Чим менша деформація потоку у РЗТ, тим більшою є зміна значення коефіцієнта при турбулентному переході.
- (1); - (2); - (3); - (4); - (5); - (6);
(D1 = var; D2 = var;
d = 5,81 мм = const;
Red = 20000) і дані M. Tachibana та M. Kita (ПАА; d = 5,36 мм,
D2 = 13,97 мм):
С= - (7);
С = - (8)
Утрату стійкості потоку в конфузорах визначають циркуляційні утворення: при - кільцеве у кінці конічного патрубка в кутовому поясі перед входом у трубу меншого діаметра ; для двоє: у кінці та у центральній осевій ділянці конфузора. Пружно-в'язкі властивості розчинів ГДАД сприяють збільшенню розмірів вихорів в напрямку проти течії. Підвищення концентрації С водних розчинів ПАА спричиняє зростання в'язкості розчину і затягування ламінарного режиму течії до більших чисел Рейнольдса (рис. 16). Однак, для підтримки ламінарного режиму руху необхідно втричі більше енергії, ніж при турбулентній течії потоку з цією ж витратою. Підвищення С сприяє настанню незалежності коефіцієнта опору від критерію при менших значеннях останнього.
Втрата енергії потоку в'язкопружного розчину ГДАД у конфузорі визначається низкою процесів: а) збільшення та інтенсифікація вихорів перед входом у трубу меншого діаметра d; б) розтягування полімерних молекул при звуженні труби;
в) дестабілізація орієнтаційного ефекту на ділянці розширення транзитного струменя після входу у трубу меншого діаметра; г) відновлення орієнтаційного ефекту й посилення його у трубі з діаметром d, порівняно з течією у трубі D. Відновлюється ПТТ на відстані (70-140) d від перерізу звуження труби.
Для ступеня звуження труби і концентрації розчинів ПАА (рис. 17,а), значення Дж/ж для РЗТ не залежать від m. Якщо в місцевій втраті напору визначальним є опір форми (m < 0,7), то загальні затрати енергії, в потоці з ПАА, збільшуються. Коли ж переважають втрати тертя (при m > 0,7), то додатки збільшують опір РЗТ. Відносна зміна коефіцієнта опору РЗТ при розвиненій турбулентній течії водних розчинів ПАА з описується функцією
де і - емпіричні коефіцієнти, які залежать від ступеня звуження труби m.
Гідродинамічна дія полімерів і МПАР якісно однакова, але для рівного ефекту концентрація останніх у розчинах повинна бути майже на порядок вища (рис. 18).
Раптові розширення труб (РРТ) є частинним випадком дифузорів з .
Ступінь розширення труби обчислюють за формулою:
Зі зменшенням ступеня розширення потоку деформація течії у РРТ послаблюється, а абсциси стрибків турбулентного переходу зсуваються до менших чисел . Збільшення n супроводжується зростанням швидкості деформації потоку і пониженням в'язкості розчину ПАА. Як наслідок, звужується діапазон концентрацій, при яких опір РРТ зменшується (рис. 19,а), а різниця між значеннями коефіцієнта на ординаті стрибка турбулентного переходу зростає. Зі збільшенням С навпаки витягується уздовж осі абсцис ділянка, на якій зменшується рис. 19,в). При значення коефіцієнта незалежне від критерію Рейнольдса. Коли 18,53 і (рис. 19,б,в) криві опору розділяються на дві гілки. Верхнє їх положення, що властиве розчинам більших концентрацій, відповідає центральному розташуванню транзитного струменя у РРТ. При нижньому - відхиленому до стінки, зменшується площа контакту струменя з вихровою зоною, а в ділянці його дотику до стінки додатки послаблюють ТТ.
Подобные документы
Рідини і їх фізико-механічні властивості. Гідростатичний тиск і його властивості. Основи кінематики і динаміки рідини. Гідравлічний удар в трубах. Гідравлічний розрахунок напірних трубопроводів. Водопостачання та фільтрація, каналізація та гідромашини.
курс лекций [3,1 M], добавлен 13.09.2010Групи споживачів води: населення, тваринництво, виробничі процеси, гасіння пожежі. Розрахунок споживання води. Вибір діаметрів ділянок трубопроводів та втрати напору на них. Визначення характеристик водонапірної башти. Графік споживання та подачі води.
контрольная работа [197,2 K], добавлен 10.11.2012Проектування гідротехнічних споруд. Дослідження відкритих водоймищ на підставі тривимірних рівнянь турбулентного руху рідини. Математична модель механізму внутрішніх течій при узгодженні тривимірного швидкісного поля з полем гідродинамічного тиску.
автореферат [96,5 K], добавлен 16.06.2009Визначення добових, годинних і розрахункових витрат води, режиму роботи насосних станцій, об’єму резервуарів чистої води і обсягу баку водонапірної башти. Трасування магістральної водогінної мережі. Гідравлічний розрахунок магістральної водогінної мережі.
курсовая работа [171,2 K], добавлен 27.01.2011Гіпотези походження води на Землі, їх головні відмінні ознаки та значення на сучасному етапі. Фізичні властивості підземних вод, їх характеристика та особливості. Методика розрахунку витрат нерівномірного потоку підземних вод у двошаровому пласті.
контрольная работа [15,1 K], добавлен 13.11.2010Характеристика трубопровідних мереж з насосною подачею рідини. Одержання рівняння напору насосу для мережі. Гідравлічний розрахунок трубопровідної мережі. Уточнення швидкостей течії рідини у трубопроводах. Вибір типу насосу та визначення його напору.
курсовая работа [780,5 K], добавлен 28.07.2011Економічна ефективність гідротехнічних споруд і гідровузла. Порівняння варіантів основних параметрів гідровузла. Приріст зведених розрахункових витрат. Визначення оптимальної глибини спрацювання водосховища. Гранична глибина спрацювання водосховища.
реферат [107,1 K], добавлен 18.12.2010Фізико-хімічні властивості, основні бальнеологічні групи, класифікація та ринок мінеральної води в Україні. Особливості лікувальної дії на організм. Зберігання, обробка, розливання та пакування води і контроль якості її основних хімічних показників.
дипломная работа [969,2 K], добавлен 16.09.2010Теория подъема жидкости в скважин. Эксплуатация фонтанных скважин, регулирование их работы. Принципы газлифтной эксплуатации скважин. Методы расчета промысловых подъемников. Расчет кривой распределения давления в подъемных трубах газлифтной скважины.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 07.05.2015Господарське значення гідровузла. Оцінка впливу гідротехнічного будівництва на навколишнє середовище. Конструювання споруди і фільтраційний розрахунок земляної греблі. Пропуск будівельних витрат води. Способи виконання земляних і бетонних робіт по греблі.
курсовая работа [530,6 K], добавлен 08.11.2012
