Совершенствование учета взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка — тройник» в напорных водоводах

Обеспечение надежности и безопасности функционирования объектов и систем в настоящее время является одной из основных задач, стоящих перед инженерной практикой. Особенности работы напорных водоводов, будь то гидротехнические водоводы, водовыпуски плотинных гидроузлов или трубопроводы систем водоснабжения следует учитывать не только во время эксплуатации, но и на этапе проектирования и расчета.

Ранжирование факторов, влияющих на надежность напорных водоводов, зависит от области их применения и несколько различается в водоснабжении и гидротехнике. В водоснабжении это — материал, изоляционное покрытие, возраст и диаметр трубопровода, коррозионная и гидрохимическая активность грунта, динамика напоров в сети, интенсивность транспортных потоков, предыдущая аварийность и гидравлические характеристики [101]. Гидротехнические водоводы не предъявляют столь жестких требований к качеству подаваемой воды, но должны строго обеспечивать пропуск расчетных, санитарных и форсированных расходов при заданных уровнях воды в водохранилище. Большинство стальных трубопроводов прокладываются в бетонных галереях или являются частью бетонных плотин, они не подвержены резким изменениям напоров, благодаря аккумулирующей способности бьефоввлияние транспортных потоков практически отсутствует. Поэтому в водоводах плотинных гидроузлов среди факторов, влияющих на надежность, можно выделить материал (сталь или бетон), возраст и диаметр водовода, а также его конструкцию и гидравлические характеристики. Водоводы плотинных гидроузлов III и IV классов являются, как правило, незарезервированными элементами, в отличие от трубопроводов водопроводной сети, в которых устройство кольцевых схем, рассматриваемое как резервирование, значительно повышает надежность [21].

Изучению вопросов, связанных с надежностью напорных водоводов, стали уделять большое внимание в отечественной и зарубежной практике со второй половины 50-х годов прошлого столетия. Наиболее значительный вклад в развитие теории надежности в гидротехнике внесли отечественные ученые: Ц. Е. Мирцхулава, Э. С. Капустян, Н. П. Розанов, Д. В. Штеренлихт, И. С. Румянцев, В. С. Лапшенков, В. Н. Щедрин, широко известны работы Н. Н. Абрамова, Ю. И. Ильина, О. Г. Примина, С. В. Храменкова и В. А. Орлова, Е. М. Гальперина, посвященные надежности систем водоснабжения.

Надежность напорного водовода — это не только отсутствие внезапных отказов, часто называемых авариями, но и постепенных отказов, которые можно интерпретировать как отклонения от расчетных параметров функционирования. Снижение напора вследствие ухудшения пропускной способности водовода может вызвать нарушение условий водоподачизанижение коэффициента расхода системы на этапе проектирования часто приводит к неоправданной установке дополнительного насосного оборудования или перерасходу водысмещение гидравлических характеристик водопропускных сооружений гидроузлов в лучшем случае влечет за собой ухудшение экологии зарегулированных водотоков. В гидротехнике своевременное обнаружение и технологически правильное устранение именно постепенного отказа напорного водовода может предотвратить внезапный отказ, последствия которого часто бывают катастрофичны.

Одними из «слабых мест» напорных водоводов являются местные сопротивления и их узлы, в которых арматура разнесена на расстояния, меньшие, чем длина стабилизации потока. Усиление коррозионных процессов, образование свищей и протечек в зоне местного сопротивления часто обусловлены резким изменением кинематической структуры потока. Доказано, что механизм локализации внутренней язвенной коррозии тесно связан с особенностями течения жидкости в трубопроводе [58]. Зона правильно выполненного сварного шва в условиях нормального симметричного поля скоростей (на прямом участке трубы) корродирует с умеренной скоростью, тот же шов, но в зоне деформации потока, корродирует со скоростью, во много раз большей [58]. Замена материала стенки трубы, равно как и толщины защитного покрытия, меняет лишь время службы до появления отказов, оставляя практически неизменной локализацию их появления в характерных районах водоводов, в их «слабых местах».

Исследования В. А. Зюбана, П.А.Коволева-Кривоносова,.

И.З.Гольденберга и М.-Р.А.Умбрасаса показали, что свыше 90% отказов трубопроводов судовых систем водоснабжения и охлаждения двигателей сосредоточены в зонах деформации потока местными сопротивлениями: у тройников, отводов, за арматурой и путевыми соединениями [2527,38,39,58,97,98,99]. По данным ГУП «МосводоканалНИИПроект» в стальных трубопроводах системы водоснабжения технологические отказы приходятся на сварные швы и коррозионные повреждения, причем 93% аварий происходят при образовании свищей и 5% при разрыве стыковых швов [82,83]. Сравнительный анализ причин, вызывающих различные аварийные ситуации и разрушения элементов гидроузлов, показывает, что 25−30% случаев связаны непосредственно или опосредовано с гидравлической безопасностью водопропускных сооружений. Разрушения бетонных частей гидротехнических туннелей за затворными камерами и ответвлениями, протечки стальных водоводов в районе задвижек и колентакже одно из проявлений связи гидравлических параметров сооружения и его надежности. Поскольку элементы водовода деформируют поток различным образом, при равной толщине стенок и покрытия надежность их может существенно отличаться.

Актуальность проблемы. Особенности работы напорных водоводов, будь то гидротехнические водоводы, водовыпуски гидроузлов или трубопроводы систем водоснабжения следует учитывать не только во время эксплуатации, но и на этапе проектирования и расчета. Очевидны существование связи между надежностью и конструкцией элементов проточной части водовода, а также возможность повышения надежности трубопровода конструктивными мероприятиями, учитывающими гидравлические особенности течения.

Опыт проектирования показывает, что совместное проведение теоретических и экспериментальных исследований может обеспечить необходимый уровень гидравлической безопасности водоводов. В водопроводящих сооружениях, имеющих узлы местных сопротивлений, только теоретическое определение гидравлических характеристик может дать неверную (как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения) оценку пропускной способности, вызванную взаимным влиянием сопротивлений, и требуется обязательное проведение эксперимента. Выявление участков подхода ядра скоростей к стенкам водовода за фасонными частями, протяженности вихревых зон и положения сечения стабилизации кинематических характеристик потока укажут одни из вероятных мест возникновения коррозии и протечек в напорных водоводах.

Поэтому целью исследований стало получение экспериментальных зависимостей для гидравлического коэффициента трения и коэффициентов местных сопротивлений в водоводах квадратного сечения, определение кинематических характеристик стационарного турбулентного течения жидкости в арматурных элементах напорных водоводов для повышения надежности работы систем водоподачи и точности их гидравлического расчета.

В качестве объекта исследований приняты встречающиеся в гидротехнических сооружениях местные сопротивлениянестандартизованные равнопроходные тройники при отсутствии или наличии задвижек (затворов), расположенных на ветвях. Это могут быть многоярусные водопропускные сооружения, гидродинамические стабилизаторы расхода водовыпусков низконапорных гидроузлов [75], гидродинамические регуляторы расхода на перепадах каналов оросительной сети [40] и уравнительные резервуары с вертикальными или наклонными шахтами небольшого сечения при отсутствии регулирования турбин.

Для развития методов расчета водоводов, имеющих ряд местных сопротивлений, как не влияющих, так и влияющих друг на друга, необходимо понимать физику процессов, происходящих с жидкостью при прохождении всего водонроводящего тракта, что позволит применять расчетные модели в большей степени соответствующие реальным гидравлическим системам. Все это требует экспериментального изучения на модели кинематических характеристик потока тройников указанной конструкции и получения эмпирических зависимостей для сопоставимых условий (квадратичная область сопротивления, постоянство диаметра и материала моделей, единая методика проведения наблюдений), обеспечивающих достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов. Использованные в работе методы проведения и оценки точности гидравлического эксперимента производились согласно ГОСТ Р ИСО 5725−1-2002. Полученные значения для единичных сопротивлений хорошо согласуются с данными исследований других авторов, опубликованных в научно-технической и справочной литературе. Гидравлические расчёты строго и последовательно проведены по формулам, используемым в гидравлике напорных водоводов. Качество экспериментально полученных зависимостей проверено в достаточном объёме с учётом последних наработок математической статистики. Численное моделирование течения в узле реализовано с использованием современного программного обеспечения.

Научная новизна работы состоит в получении эмпирической зависимости для расчета гидравлического коэффициента трения (Дарси) в трубопроводах квадратного сеченияв определении схемы течения и коэффициентов местных сопротивлений нестандартизированных равнопроходных тройников с углами от 30° до 150° при отсутствии расхода ответвления и универсальной формулы для их расчетав установлении коэффициентов сопротивлений и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка — тройник» при варьировании угла ответвления тройника вида и степени закрытия задвижкив выявлении длины зоны влияния указанных сопротивлений и определении мест водовода, в пределах которых происходит выброс ядра скоростей на стенки и возможен риск возникновения интенсификации коррозии.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Эмпирические зависимости, позволяющие определять значения гидравлического коэффициента трения (Дарси) в квадратном трубопроводе, а также коэффициентов местных сопротивлений равнопроходных тройников круглого и квадратного сечений (приточных и вытяжных) при отсутствии расхода ответвления.

2. Экспериментальные значения коэффициентов взаимного влияния и длины влияния элементов узла «регулируемая задвижка-тройник» при отсутствии расхода боковой ветви и варьировании типа задвижки, степени ее закрытия, угла ответвления тройника в трубопроводах квадратного сечения.

Практическая ценность. Полученные в диссертации экспериментальные зависимости могут быть использованы проектными и научноисследовательскими организациями для гидравлических расчетов напорных водопроводящих сооружений с учетом взаимного влияния местных сопротивлений. Это позволит значительно повысить точность определения пропускной способности трубопроводов, предусмотреть возможную пульсацию скоростей и давлений, наиболее целенаправленно выполнять компоновку трубопроводных систем на стадии проектирования, обеспечивающую возможность доступа для осмотра и текущего ремонта мест трубопроводов, где происходит наибольшее гидродинамическое воздействие на стенки и образование интенсивных водоворотных областей в районе узла. На данный момент разработанные методики используются в ЗАО ПО «Совинтервод».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 66-ой научно-технической конференции Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета 3−5 февраля 2009 г., международной научно-технической конференции Московского государственного университета природообустройства 17 февраля 2007 года, 20 апреля 2009 года и 14 апреля 2010 года, 67-ой Всероссийской научно-технической конференции Самарского государственного архитектурно-строительного университета 5−9 апреля 2010 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем публикаций по теме диссертации 2,2 пл., из них лично автора — 1,5 пл.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, иллюстрированного 62 рисунками, и содержит 13 таблиц. Список используемой литературы включает 138 наименований.

1.4. Выводы и задачи дальнейших исследований.

Обзор существующих исследований и методов расчета гидравлических сопротивлений в напорных трубопроводах позволил сделать следующие выводы:

1. Границы области автомодельности (независимости местного сопротивления от числа Рейнольдса) для задвижек и тройников по данным Джона и Роули соответствуют Re = 1,4−104, для регулируемых задвижек в круглоцилиндрических трубах при степени открытия h = 0,1- 0,5- 0,3 по данным П.А. Коволев-Кривоносова [58] Re = (l, 4^-2,3)-105, для однои двухсторонних задвижек прямоугольного сечения (без выемки для клапана) по данным Б. И. Яныиина Re>104 [108].

2. Наличие потерь энергии при прохождении потока мимо отростка тройника достаточно хорошо прослеживается по всем экспериментальным данным авторов для любых типов тройников. Экспериментальные данные отечественных и зарубежных ученых, полученные для квадратичной области сопротивления несимметричных тройников (Re>4−103) показывают наличие гидравлического сопротивления ниш, образующихся при работе равнопроходных тройников только транзитной веткой при отсутствии бокового притока либо оттока.

2. Экспериментально полученные рядом авторов и в различное время значения С, ц для стандартизованных тройников круглых труб всегда отличны от нуля и могут доходить до 0,7 в зависимости от вида исполнения.

3. Значения нестандартизованных улучшенных равнопроходных тройников в круглых трубах при углах 45° и 60° лежат в пределах ^ = 0,06 н-0,1. Для угла 90° значения коэффициента сопротивления ниши близко к нулю.

4. В нестандартизованных тройниках круглого сечения скругление бокового или подводящего рукава не устраняет наличие сопротивления в нише, при скруглении бокового подвода = 0,3 (т.к. радиус направлен навстречу потоку), подводящего рукава — =0,18.

5. В трубопроводах круглого сечения величина коэффициента ниши одинакова как для приточных, так и для вытяжных тройников.

6. Исследования нестандартизованных плавных тройников на прямоугольных трубах были выполнены только для углов 90° и соответствующих радиусов скругления, получен коэффициент сопротивления ниши = 0,05.

7. Отсутствуют данные по исследованию коэффициентов сопротивления нестандартизованных равнопроходных тройников квадратного сечения при отсутствии расхода бокового ответвления, нет единой универсальной формулы по определению коэффициента сопротивления прямоугольных ниш как функции угла ответвления.

8. Существующие универсальные формулы расчета (формулы С. Р. Левина и В.Н. Талиева), приводимые в справочных пособиях [29,6972,90,92], не могут быть использованы для расчета коэффициента сопротивления ниши, так как имеют С, сп =0 при — = 0.

9. Отсутствуют данные по длине влияния равнопроходных нестандартизованных тройников при отсутствии бокового расхода (прямоугольных ниш) и картинам течения в области замкнутого ответвления.

10. Для прямоугольных задвижек с однои двухсторонним расположением клапана, называемых также затворами, исследованных в работах Б. И. Яныпина [108], во всех справочных пособиях приводится коэффициент местного сопротивления с указанием внутреннего размера трубопровода 150мм). Отсутствует длина стабилизации кинематических характеристик за задвижкой при регулировании.

11. Исследования взаимного влияния «арматура — тройник» и «арматура — отвод» производилось только в трубах круглого сечения.

12. Узел местных сопротивлений, представляющий собой две задвижки, расположенные па подводящей и боковой ветвях несимметричного равнопроходного нестандартизованного тройника прямоугольного сечения до настоящего времени практически не изучен.

13. Методика исследования тройников, предложенная В. А. Зюбаном, в которой для повышения точности расчета коэффициента взаимного влияния |/ отдельных элементов и их сочетаний строятся сопряженные графики в осях Яе, |/ может быть применена в планируемом гидравлическом эксперименте.

14. При оценке взаимного влияния местных сопротивлений необходимо указывать не только геометрию узла и числа Рейнольдса Ле, при которых получены экспериментальные данные, но и коэффициент гидравлического трения X (либо величину эквивалентной шероховатости Дэ), так как они влияют на стабилизацию скоростного поля потока, искаженного местным сопротивлением.

Для развития методов расчета водоводов, имеющих ряд местных сопротивлений, как не влияющих, так и влияющих друг на друга, необходимо понимать физику процессов, происходящих с жидкостью при прохождении всего водопроводящего тракта, что позволит применять расчетные модели в большей степени соответствующие реальным гидравлическим системам. Все это требует экспериментального изучения на модели кинематических характеристик потока тройников указанной конструкции и получения эмпирических зависимостей для сопоставимых условий (квадратичная область сопротивления ниш, постоянство диаметра и материала моделей, единая методика проведения наблюдений), обеспечивающих достоверность полученных результатов. Поэтому целью исследований стало получение экспериментальных зависимостей для гидравлического коэффициента трения и коэффициентов местных сопротивлений в водоводах квадратного сечения, определение кинематических характеристик стационарного турбулентного течения жидкости в арматурных элементах напорных водоводов для повышения надежности работы систем водоподачи и точности их гидравлического расчета.

Для достижения цели решены следующие задачи:

1. Определить значения гидравлического коэффициента трения (Дарси) в квадратном водоводе и вывести для его расчетов эмпирическую зависимость.

2. Изучить гидравлические характеристики — поля распределения давлений и скоростей в окрестности узла: нестандартизованных однои двухсторонних прямоугольных задвижек при различных степенях закрытия, нестандартизированных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 30° до 150° при отсутствии расхода ответвленияузлов, включающих рассматриваемые сопротивления.

3. На основании вычислительного эксперимента с помощью пакета прикладных программ STAR-CD построить эпюры полей давлений в рассматриваемом узле местных сопротивлений и провести сравнение значений давлений с результатами натурного эксперимента.

4. Выяснить области образования вихревых зон и длины участков стабилизации, рассматриваемых сопротивлений и их узлов, определить места выхода ядра скоростного потока на стенки трубопровода в зоне расположения арматуры. Проверить диапазон чисел Рейнольдса Яе^ 1,1 • 105-^-3¦ 105 на принадлежность к квадратичной области сопротивлений, в которой величина местного сопротивления зависит только от его геометрии.

5. Установить возможность применения коэффициентов сопротивления однои двухсторонних прямоугольных задвижек, приведенных в справочной литературе, на трубопроводах меньшего сечения.

6. Экспериментально определить значения коэффициентов местных гидравлических сопротивлений нестандартизованных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 30° до 150° при отсутствии расхода ответвления и получить универсальную эмпирическую зависимость для их расчета.

7. Экспериментально определить значения коэффициентов местных сопротивлений и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка-тройник» при варьировании угла бокового подвода, вида и степени закрытия задвижки при отсутствии расхода ответвления.

В качестве объекта исследований приняты встречающиеся в гидротехнических сооружениях местные сопротивлениянестандартизованные равнопроходные тройники при отсутствии или наличии задвижек (затворов), расположенных на ветвях. Это могут быть многоярусные водопропускные сооружения, гидродинамические стабилизаторы расхода водовыпусков низконапорных гидроузлов [75], гидродинамические регуляторы расхода на перепадах каналов оросительной сети [40] и уравнительные резервуары с вертикальными или наклонными шахтами небольшого сечения при отсутствии регулирования турбин.

Глава 2. Гидравлическая модель, планирование и статистическая обработка эксперимента.

2.1. Цель постановки эксперимента.

Поскольку значения X экспериментальной установки лежали в диапазоне 0,018+0,017 и Яс = (1,5 + 2,7) • 105 сближение оси регулируемой задвижки и тройника на 5 с/ могут быть ориентировочно оценены как для круглых труб по данным П.А. Ковалева-Кривоносова [58] и представляют собой узел местных сопротивлений.

Экспериментальные исследования ставили перед собой цель изучить следующие гидравлические характеристики напорного водовода квадратного сечения: гидравлическое трениеместные сопротивления единичного характера (ниши под углом 30°-150° к потоку, однои двухсторонняя задвижка прямоугольного сечения (без выемки для клапана) при регулировании) — узловые местные сопротивления (сочетание ниш под углами 30°-150° к потоку и однои двухсторонней задвижки прямоугольного сечения (без выемки для клапана) при регулировании). Все экспериментальные исследования были проведены автором в гидравлической лаборатории кафедры Гидравлики Московского государственного университета природообустройства в период 2008;2010 годы.

2.2. Гидравлическая модель.

Для проведения эксперимента в лаборатории ФГОУ ВПО МГУП кафедры «Гидравлики» была создана модель водовода, размещенная в лотке (см. рис. 1).

2.2.1. Конструкция гидравлического логка.

Общая длина лотка 20 855 мм, из них 2220 мм приходится на напорный бак — 1, 2675 мм на успокоительный бак — 15, а 14 915 мм непосредственно на лоток — 7, шириной 600 мм (рис. 1).

Рис. 1. Схема гидравлического лотка:

1 — напорный бак- 2 — мерное стекло напорного бака- 3 — щит с пьезометрами- 4 — задвижка- 5 гидравлическая модель- 6 — лоток- 7 — плоский жалюзный затвор- 8 — мерный треугольный водослив- 9 стальные опоры- 10 — стойки- 11 — успокоительные сетки- 12 — стакан со шпитценмасштабом- 13 успокоительный бак- 14 — нагнетательный трубопровод.

Напорный бак имеет размеры 3810 на 2220 мм, подвод воды в бак осуществляется трубопроводом диаметром 300 мм через дно бака, основное регулирование подачи воды происходит задвижкой с ручным приводом, расположенной ниже бака у колена нагнетательного трубопровода — 4. Конструкция входного оголовка напорного бака обеспечивала неплавный вход (камера внезапного расширения и сужения) потока из бака в модель водовода, кроме того, напорный бак снабжен мерным стеклом — 2. На передней стенке напорного бака установлен первый щит с пьезометрами — 3 высотой 2755 мм. Пьезометры выведены на щит со шкалой, имеющей наименьшее деление 1 мм. Предварительно определены нулевые отметки щитов с пьезометрами.

Лоток представляет собой прямоугольную конструкцию из силикатного стекла толщиной 14 мм, высотой 970 и 560 мм и шириной по дну 1800 и 1465 мм, установленную на металлических уголках — 10, которые жестко присоединены к фундаменту лаборатории. На правой стороне лотка установлен второй переносной щит с пьезометрами высотой 2895 мм.

Н).

О, л/с.

Рис. 2. Схема и тарировочная кривая мерного треугольного водослива Томсона.

Выходное сечение лотка оборудовано плоским жалюзным затвором и успокоительными сетками — 12 с квадратными ячейками 50 на 50 мм, здесь же установлен шпитценмасштаб — 13, с помощью которого измерялся уровень воды мерного треугольного водослива с острой кромкой — 9, выполненного из оргстекла толщиной 10 мм, размерами 935 на 480 мм в успокоительном баке — 15. На рис. 2 приведена схема и тарировочная кривая мерного треугольного водослива Томсона. При угле а=90° расход для треугольного водослива равен:

0 = А-Н5'2. (1).

Формула (1) дает практически точные результаты при напорах Н в пределах 0,05. 0,25 м [31].

2.2.2. Конструкция экспериментального напорного водовода.

Конструкция гидравлической модели представляет собой водовод квадратного сечения (рис. 3), с внутренним линейным размером 85 на 85 мм, выполненного из оргстекла толщиной 5 мм, отдельные секции этой модели соединены между собой квадратными фланцами из оргстекла — 5 мм. На расстоянии 36^/(3,0м) от входного сечения выполнялись по вариантам ответвления под углами а=30°, 60°, 90°, 120°, 150° того же квадратного сечения (где с1 — высота входного сечения водовода). Каждый вариант ответвления был оформлен в виде съемного блока, закрепляемого фланцами. На расстоянии 31 ¿-/(2,6м) от того же сечения устанавливались нестандартизованные однои двухсторонние задвижки прямоугольного сечения (без выемки для клапана) (рис. 3.1), представляющие собой клапаны (квадратные пластины) толщиной 5 мм с внутренним линейным размером в свету <�я=Ю, 85- 1,7−2,55−3,4см — для односторонней задвижки и а=0,43−0,85- 1,28- 1,7 см — для двухсторонней задвижки. Длина всего напорного водовода составляет 76^/(6,5м). Водовод установлен на четыре металлических опоры прямоугольной формы.

X у О и? a/d=var.

Рис. 3. Схема гидравлической модели напорного водовода с вариантами углов бокового ответвления: 1 — входной оголовок- 2 — начальный участок стабилизации- 3 -задвижка в прямой трубе (без выемки для клапана) — 4 -ответвление под углом а=30°, 60°, 90°, 120°, 150° (ниша) — 5 — концевой напорный участок. У.

1 Чё.

Ц1.

———-I г ч г.

Рис. 3.1. Схемы задвижек в прямой трубе (без выемки для клапана): а) — односторонняя задвижка прямоугольного сеченияб) — двухсторонняя задвижка прямоугольного сечения.

2.2.3. Измерительные приборы.

При работе водовода измерялись давления в водном Р/и воздушном потоке Ивак, для этого по длине водовода по верхнему своду трубы в нескольких сечениях были установлены пьезометры и вакуумметры. Давление измерялось восемнадцатью пьезометрами, выведенными на два отдельных щита, и шестью вакуумметрами на третьем отдельном щите. Схема расположения пьезометров и вакуумметров приведена на рисунке 4. Диаметр устья пьезометров всюду одинаков и равен 2 мм. За плоскость сравнения («ноль» пьезометров) принята ось симметрии водовода.

Для измерения расхода воды на мерном треугольном водосливе использовался шпитценмасштаб, который был установлен в стеклянный стакан.

В1ХВ2ХВЗ).

0 7>0 I.

13с1 5с! 5с] 5с1 Ъ6 46, С|, с] С] 1,7с] 26 / 26 6 с].

У ¦

СТ.

СП.

Продолжение.

П11 П12 П13 П14 П15.

П16 —.

П17 П18 1.

26 Ш.

13с1.

2.3. Методика проведения эксперимента.

Модель водовода квадратного сечения с внутренним линейными размерами 85×85 мм была установлена в лотке шириной 600 мм и длиной 14 915 мм. Подача воды осуществлялась центробежным насосом через трубопровод диаметром 300 мм в водонапорный бак лотка. Расход регулировался двумя задвижками, первая — основная, располагалась в насосной комнате лаборатории и позволяла регулировать основную подачу воды, вторая — дополнительная, для регулирования расхода воды, проходящего через водовод в лотке. Конструкция входного оголовка обеспечивала неплавный вход потока из бака в трубу. Присоединение трубы к входному оголовку с резиновым уплотнением позволяло установить уклон трубы.

После того, как была подготовлена опытная установка, расставлены измерительные приборы и проведен инструктаж наблюдателей, выполнялись несколько прикидочных опытов. Прикидочные или предварительные опыты проводились по такой же методике, как и основные. Прикидочные опыты выполнялись с целью проверки действий измерительных приборов, контроля в работе и тренировки наблюдателей, освоения опытной установки с точки зрения оптимальных условий ее работы.

В период предварительных исследований опытная установка работала в режимах, которые были изучены, в основных опытах, а именно в напорных режимах. При напорном режиме труба по всей длине работает полным сечением. Считается, что при обтекаемом входном оголовке труба работает как напорная, если напор на входе Н > 1,4с/, где (1 — высота входного сечения трубы. Для выявления возможных дефектов измерительных приборов и опытной установки в целом режим работы установки не были постоянны.

До начала опытов, проверялись «нули» (нулевые показания) всех измерительных приборов, проверялось местоположение измерительных щитов с пьезометрами относительно нужного уровня. Когда «нули» были смещены, их регулировали. Нулевые показания пьезометров контролировали ежедневно в конце каждого опыта. Начиная с первого (входного) и заканчивая последним пьезометром равномерно заливали определенное количество воды через медную воронку с трубкой 0 5 мм, чтобы исключить нежелательное воздействие пузырьков воздуха на определение давления Р) у.

К началу каждого опыта до производства замеров исследуемая модель водовода работала в течение некоторого времени с тем, чтобы обеспечить установившийся характер движения водного потока на модели. Длительность работы модели до начала установившегося движения потока, после которого можно было приступать к опыту, и снятию показаний с измерительных пьезометров, изменялась в широких пределах, примерно оно составляло около 15−30 минут между замерами.

Так же в начале проведения каждого из серий опытов производился замер температуры воды в напорном баке с помощью ртутного термометра с минимальной шкалой 0,5°С, диапазон температур в летнее и зимнее время колебался от 12 до 17 градусов Цельсия.

Расход воды, проходящий через водовод, измерялся мерным треугольным водосливом с острой кромкой, для которого имелась тарировочная кривая связи расхода с отметкой воды над водосливом. Точность отсчета 0,1 мм [31].

После стабилизации уровней воды в напорном баке снимались показания пьезометров, которые были установлены на верхней стенки водовода. Отсчет брался как среднее между максимальным и минимальным колебаниями горизонта воды в пьезометре.

С помощью шпитценмасштаба определялся напор воды на мерном водосливе успокоительного бака и затем по тарировочной кривой вычислялся суммарный расход через водовод.

2.4. Планирование и статистическая обработка результатов эксперимента.

2.4.1. Комбинационный квадрат.

Изучение гидравлических параметров местных сопротивлений узлов на модели относится к выборочному статистическому исследованию.

Статистическая совокупность, содержащая все исследуемые элементы, называется генеральной. Генеральной совокупностью в нашем случае будут те значения непосредственно задаваемого фактора — напора Н, которые обеспечат на модели интересующий нас диапазон чисел Рейнольдса Яе = 1,1−105 ^3−105, при неизменных геометрических параметрах конкретного узла. Этот диапазон лежит в пределах 16,2-И 51,3 см. Шаг изменения напора связан с возможностью регулирования модели и в среднем равен 1,8 см. В результате имеем объем генеральной совокупности в 79 вариант.

Исследования проводились для 38 различных вариантов сопротивлений и узлов, матрица вариантов (матрица серий) приведена в таблице 1. Каждая конструкция соответствовала отдельной серии опытов.

Применительно к способу постановки эксперимента генеральная выборочная совокупность была сформирована за счет варьирования основного фактора — напора, который принимал одно из 79 вариантов возможных значений. Каждому из уровней основного фактора соответствовало несколько уровней зависимого фактора — расхода, который измерялся также непосредственно (без пересчета по формулам).

К сожалению, условия работы экспериментального стенда и возможности измерительной аппаратуры не позволили провести полный факторный эксперимент, в котором каждому уровню независимого фактора (Я) соответствуют исследования всех зависимых параметров (?>)• Исследования были основаны на выборочном методе, заключающемся в том, что из генеральной совокупности была извлечена часть элементов (выборка), на основании которой будут впоследствии сделаны выводы, относящиеся ко всей генеральной совокупности [76].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты экспериментальных исследований, выполненные в диссертационной работе, позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Впервые получена эмпирическая зависимость по определению значений коэффициента гидравлического трения в трубах квадратного сечения для диапазона чисел Рейнольдса Re= 1,1−1 (Г-3¦ 1 (Г, имеющая вид.

X — 0,0198 • Re. Экспериментальные значения коэффициентов Дарси дают хорошее совпадение со значениями, вычисленными для турбулентной зоны по формулам А. Д. Альтшуля, И. Е. Идельчика и Е. А. Адамова [4,5,6].

2. По результатам вычислительного эксперимента получены эпюры полей давлений и скоростей (векторных и скалярных) в окрестности узла: нестандартизованных однои двухсторонних прямоугольных задвижек при различных степенях закрытия, нестандартизированных равпопроходных тройников с углами бокового подвода от 30° до 150° при отсутствии расхода ответвления и узлов, включающих рассматриваемые сопротивления.

3. С помощью пакета прикладных программ STAR-CD построены эпюры полей давлений в рассматриваемом узле местных сопротивлений и проведено сравнение значений давлений с результатами пьезометрических давлений натурного эксперимента.

4. Дан анализ вихревых зон в пределах рассматриваемых сопротивлений и их узлов и определены области выхода ядра скоростного потока на стенки трубопровода в зоне расположения арматуры, лежащие для различных случаев в пределах (1±4)d. Попадание в эту область шва будет приводить к его ускоренной коррозии, поэтому при проектировании следует предусмотреть возможность доступа к месту трубопровода в районе узла, где происходит наибольшее гидродинамическое воздействие на стенки и образование интенсивных водоворотных областей с целью его осмотра и ремонта. Определены длины участков стабилизации (длины влияния) рассматриваемых сопротивлений и их узлов вверх и вниз по течению для.

Re = 2−105 и А,=0,018, позволяющие в дальнейшем разграничивать единичные тройники, регулируемые задвижки и их узлы при проведении гидравлических расчетов. При одинаковых степенях закрытия задвижек a/d кинематические характеристики потока быстрее стабилизируются за нестандартизованной двухсторонней задвижкой (3,7ч-7сГ), чем за нестандартизованной односторонней (4+1 Id). Доказано, что числа Рейнольдса в диапазоне для всех вариантов исследуемых местных сопротивлений относятся к квадратичной области и значения коэффициентов местных сопротивлений зависят только от геометрии местного сопротивления.

5. Экспериментально выяснено, что коэффициент сопротивления одно-и двухсторонних плоских задвижек (затворов), расположенных в квадратном водоводе, при одинаковом отношении размера задвижки в направлении течения потока к высоте трубы, не зависит от размера трубопровода и в квадратичной области сопротивлений может быть принят по данным Б. И. Яньшина [107] без указания абсолютных размеров трубопровода (как это встречается в справочной литературе).

6. Экспериментально доказано, что гидравлическое сопротивление нестандартизованных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 30° до 150° при отсутствии расхода ответвления практически не зависит от формы сечения трубопровода (круглая, квадратная) и связано в большей степени с изменением значения угла. Впервые получена универсальная экспериментальная зависимость, позволяющая определять коэффициенты сопротивления С, сп. равнопроходных приточных и вытяжных тройников круглого и квадратного сечений при отсутствии расхода бокового ответвления:

Сс.п. = -0,0282А2 — 0,0265А + 0,154, где A=sin, а + cos а, здесь, а — угол бокового ответвления.

Зависимость дополняет существующие универсальные формулы расчета сопротивлений равнопроходных тройников, которые позволяют вычислить сопротивление на боковой проход, но дают нулевые значения?? С. Г1. при отсутствии расхода ответвления (что противоречит гидравлической схеме течения и до сих пор отмечается в справочной литературе как их недостаток).

7. Впервые экспериментально получены значения коэффициентов местного сопротивления и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка-тройник» в трубопроводах квадратного сечения при различных углах бокового подвода 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, видах (однои двухсторонняя) и степенях закрытия задвижки при отсутствии расхода ответвления. При расчетах пропускной способности нестандартизованных равнопроходных тройников исследованной конструкции, работающих только нижней веткой и имеющих регулируемую запорную арматуру перед боковым подводом необходимо учитывать влияние образующейся ниши. При незначительном коэффициенте собственного сопротивления она изменяет условия течения за нестандартизованной задвижкой, в отдельных случаях приводя к рассеиванию и повторному формированию ядра скоростей. Взаимное влияние рассматриваемых местных сопротивлений, при их сближении на длину, меньшую, чем 10d, сильнее прослеживается при небольших степенях закрытия задвижек a/d- 0,1-Ю, 2. Пренебрежение перекрытой веткой в тройнике и расчет пропускной способности рассмотренного узла как одной магистрали, регулируемой задвижкой, приведет к погрешности определения сопротивления до 20%, причем погрешность будет тем больше, чем меньше перекрыта магистраль.