Совершенствование учета взаимного влияния элементов узла "регулируемая задвижка - тройник" в напорных водоводах

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

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

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Палиивец Максим Сергеевич

Москва 2010

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Гидравлики»

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Снежко Вера Леонидовна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,

Есин Александр Иванович

- кандидат технических наук, доцент

Алтунин Владимир Ильич

Ведущая организация: ЗАО ПО «Совинтервод»

Защита состоится 15 ноября 2010 г. в 1500 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан «15» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук И.М. Евдокимова

Общая характеристика работы

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 сопротивления - нестандартизованные равнопроходные тройники при отсутствии или наличии задвижек (затворов), расположенных на ветвях. Это могут быть многоярусные водопропускные сооружения, гидродинамические стабилизаторы расхода водовыпусков низконапорных гидроузлов, гидродинамические регуляторы расхода на перепадах каналов оросительной сети и уравнительные резервуары с вертикальными или наклонными шахтами небольшого сечения при отсутствии регулирования турбин (рис.1).

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, постоянство диаметра и материала моделей, единая методика проведения наблюдений), обеспечивающих достоверность полученных результатов.



Рис. 1. Схемы элементов сооружений:

а), б) - гидродинамические стабилизаторы расхода; в) - элемент подводящей деривации ГЭС Ленч (Швейцария); г) - напорная деривация ГЭС Шаори (Грузия); д) - напорная деривация ГЭС Ремпен (Швейцария); е) - фрагмент напорных штолен ГАЭС Кош (Франция).

напорный водовод трение проточный

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 одно- и двухсторонних прямоугольных задвижек при различных степенях закрытия, нестандартизированных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 300 до 1500 при отсутствии расхода ответвления; узлов, 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 Re=1,11053105 на принадлежность к квадратичной области сопротивлений, в которой величина местного сопротивления зависит только от его геометрии.

5. Установить возможность применения коэффициентов сопротивления одно- и 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 300 до 1500 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.

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 сечения; в определении схемы течения и коэффициентов местных сопротивлений нестандартизированных равнопроходных тройников с углами от 300 до 1500 при отсутствии расхода ответвления и универсальной формулы для их расчета; в установлении коэффициентов сопротивлений и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка - тройник» при варьировании угла ответвления тройника вида и степени закрытия задвижки; в 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 научно- исследовательскими 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 п.л., из них лично автора - 1,5 п.л.

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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, методы исследований, научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов и структура работы.

В первой главе приводится обзор исследований режимов движения жидкости в напорных трубопроводах круглого и некруглого сечений, а также единичных и узловых гидравлических сопротивлений с последующей систематизацией расчетных зависимостей, используемых в отечественной и зарубежной практике. Исследованиями местных сопротивлений трубопроводов занимались Жан Шарль Борда, Ю. Вейсбах, Джон и Роули, Д. Тома, Ю.А. Скобелицын, Г.Т. Татарчук, И.З. Аронов, Н. Ширагами, Т. Тарамаи, К. Судоу, C. Хе и Ж.А. Готтс, известны также работы последних лет: А. Тэйлора и Ж.Х Витэлов, М. Яна, Ч.Ц.С. Сонга, И. Футаки и С.С. Мартина. Сопротивления тройников, полученные И.Е. Идельчиком, считаются классическими в гидравлике, в этой же области работали П.Н. Каменев и А.М. Курганов, известны исследования ученых университета Миннесоты: Ч.А. Динга, Л. Карлсона, К. Эллиса. Зависимости коэффициентов местного сопротивления нестандартизованных задвижек прямоугольного сечения получены Б.И. Яньшиным. Вопросами взаимного влияния местных сопротивлений занимались Н.В. Левкоева и А.С. Петров (диафрагмы), М.М. Андрияшев (конфузорно-диффузорные переходы), И.З. Гольденберг (отводы и задвижки, колена), В.А. Зюбан (тройники), М.Е. Шольц (тройники, отводы), М.-Р. Умбрасас (отводы).

При более широком применении круглых труб их местные гидравлические сопротивления изучены более полно. Коэффициенты сопротивления стандартизованных тройников с узлами ответвления индустриальной конструкции могут быть вычислены при турбулентном течении по экстраполяционным формулам Л.С. Клячко и Л.Б. Успенской.

Рассматривая основные приближенные методы расчета местных сопротивлений тройников, можно увидеть, что общим для всех них является использование при решении задачи двух уравнений гидромеханики: уравнения Бернулли и уравнения количества движения. Поэтому расчетные формулы внешне достаточно близки между собой и точность получаемых расчетов по различным методам приблизительно одинакова.

Коэффициенты сопротивления нестандартизованных тройников обычной формы (без закруглений и расширения или сужения бокового ответвления и прямого прохода) на боковое ответвление с.б. и прямой проход с..п. определяются по универсальным формулам С.Р.Левина и В.Н.Талиева, в которые внесены поправочные коэффициенты при сопоставлении расчета с опытами С.Р.Левина, Гарделя, Кинне, Петермана и Фогеля:

Вытяжные тройники

(1)

(2)

Приточные тройники

(3)

при , (4)

здесь - площади рукавов; - расходы рукавов; б - угол ответвления; A, A'- эмпирические коэффициенты, полученный В.П.Зубовым; , и - коэффициенты сжатия потока; - коэффициент, принимаемый по таблицам.

Все указанные выше формулы дают хорошее совпадение c экспериментальными данными. При прохождении потока в проходе мимо свободного углубления прямого прохода или бокового ответвления (ниши), образуемой при или всегда наблюдается потеря энергии, что наглядно подтверждается экспериментами В.А. Зюбана на тройниках круглого сечения. По данным А.Д. Альтшуля нишу (ответвление) возможно рассматривать как тройник с нулевым расходом ответвления, т.е. поток в ответвление не поступает и в ответвлении возникает вихрь, являющийся причиной местных потерь напора на проход. Потери в нишах при отсутствии расхода прямого прохода по указанным формулам определить можно, но при отсутствии расхода бокового рукава (ответвления) - нельзя, так как расчет дает . Это основной недостаток применяемых универсальных формул, отмечаемый в большинстве гидравлических справочников.

Анализ исследований взаимного влияния местных сопротивлений показал, что сближение проходных запорных клапанов снижает сопротивление узла на 20%. При малых относительных расстояниях между диафрагмами коэффициент взаимного влияния ш=0,36, при разнесении их на 5-6d - ш =1,05. Узел из отводов с клапанами дает ш =0,85 , с клинкетами - 1,25. Для тройников при различных условиях ш лежит в пределах 0,6…1,6. При оценке взаимного влияния местных сопротивлений необходимо указывать не только геометрию узла и числа Рейнольдса , при которых получены экспериментальные данные, но и гидравлический коэффициент трения л, так как они влияют на стабилизацию скоростного поля потока, искаженного местным сопротивлением.

Систематизация данных из литературных источников позволила определить длины влияния сближаемых единичных сопротивлений: для полностью открытой задвижки вверх по течению lвл=1,22d от оси задвижки; для регулируемой задвижки вниз по течению lвл=610d от оси задвижки; для прямого равнопроходного тройника в отростках lвл=4d, в магистрали lвл=5,5d; для узла «проходной клапан - тройник» lвл=1012d; для узла «задвижка - равнопроходный прямой раздаточный тройник» при подаче в обе ветви lвл=6,5d.

Полученные предыдущими исследованиями значения гидравлических параметров были приняты в диссертации в качестве опорных значений, с которыми сверялись экспериментальные данные.

Вторая глава диссертационной работы посвящена изложению принятой методики планирования эксперимента, описанию экспериментальной установки и статистической обработке эмпирических данных. Исследования ставили перед собой цель изучить следующие гидравлические характеристики напорного водовода квадратного сечения: гидравлическое трение, местные сопротивления единичного характера - ниши, расположенные под углами 300,600, 900, 1200, 1500 к потоку; нестандартизованные одно- и двухсторонние задвижки прямоугольного сечения (без выемки для клапана) при различных степенях закрытия; узловые местные сопротивления (сочетание ниш под углами от 300 до 1500 и нестандартизованной одно- и двухсторонней задвижки при регулировании); поля давлений и скоростей.

Для проведения эксперимента в лаборатории кафедры Гидравлики Московского государственного университета природообустройства была создана модель водовода, размещенная в гидравлическом лотке шириной 600 мм и длиной 14915 мм (рис. 2). Рабочей жидкостью служила пресная вода. Все экспериментальные исследования были проведены лично автором в период 2008-2010 гг.

Конструкция гидравлической модели представляет собой водовод квадратного сечения, с внутренним линейным размером 85х85 мм, выполненный из оргстекла толщиной 5 мм, отдельные секции модели соединены между собой квадратными фланцами (рис. 2).

На расстоянии 36d от входного сечения (где d - высота входного сечения водовода), выполнялись ответвления под углом б=300,600, 900, 1200, 1500 в зависимости от серии опытов, на расстоянии 31d от входа устанавливались нестандартизованные одно- и двухсторонние задвижки прямоугольного сечения, представляющие собой клапаны (квадратные пластины) толщиной 5 мм с внутренним линейным размером в свету a=0,85;1,7;2,55;3,4 см - для односторонней задвижки и a=0,43;0,85;1,28;1,7 см - для двухсторонней задвижки. Длина напорного водовода составляет 76d, он установлен в гидравлическом лотке на четыре металлические опоры.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

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.

Исследования проводились для 37 различных вариантов сопротивлений и узлов (углы 300, 600, 900, 1200, 1500 и различные степени закрытия задвижек), каждая конструкция соответствовала отдельной серии опытов (рис. 3).



Рис. 3. Схема узла местных сопротивлений для угла б=300.

Изучение гидравлических параметров на модели относилось к выборочному статистическому исследованию. Генеральной совокупностью в данном случае были те значения непосредственно задаваемого фактора - напора Н, которые обеспечивали на модели требуемый диапазон чисел Рейнольдса , при неизменных геометрических параметрах конкретного узла. Число Рейнольдса в каждой серии опытов подсчитывалось по формуле: , (где dЭ - эквивалентный диаметр по площади водовода); так же производился замер температуры воды в напорном баке с помощью ртутного термометра с минимальной шкалой 0,50C, диапазон температур в летнее и зимнее время колебался от 12 до 170C.

Применительно к способу постановки эксперимента 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). В качестве приема формирования выборочной совокупности был принят систематический отбор, заключающийся в выборе каждого k-того элемента из списка элементов генеральной совокупности. Комбинационный квадрат выборочного факторного эксперимента в зависимости от конструкции узлового сопротивления состоял из серий, включающих от 7 до 20 уровней основного фактора. Общее число экспериментов без учета повторов составило 428, с учетом повторов - 1283, в пределах каждой серии постоянной оставалась конструкция узла, варьируемым фактором - напор, шаг которого в среднем составлял - 1,8 см. Оценка точности результатов измерений производилась согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002, который применяется для оценки точности измерения свойств жидкостей, что особо важно для гидравлических экспериментов.

Опыт выполнялся в условиях повторяемости, показатели точности определялись на основании результатов измерений внутри каждой серии. При фиксированном значении фактора определялся размах вариаций показаний по приборам, который сопоставлялся с критическим диапазоном для вероятности 0,95 при числе измерений n:

, (4)

где - стандартное отклонение повторяемости; - коэффициент критического диапазона.

Число замеров непосредственных величин в каждой серии экспериментов увеличивалось, если значения размаха вариаций превышали критические.

Точность метода измерений представляет собой сумму общего среднего значения (математического ожидания), лабораторной составляющей систематической погрешности в условиях повторяемости и случайной составляющая погрешности результата измерений в условиях повторяемости. Были оценены систематические и случайные составляющие непосредственно измеряемых величин. Суммарная предельная относительная ошибка в определении расхода с вероятностью 0,95 составляла 1,1%, давления 1,0%. Суммарные предельные относительные ошибки опытных значений коэффициента местных сопротивлений с вероятностью 0,95 не превышали 3%, коэффициента Дарси - 4%.

Условия воспроизводимости проверялись сопоставлением экспериментальных данных, полученных в лаборатории, и значений гидравлических параметров по единичным сопротивлениям и схожим сопротивлениям узлов, имеющимся в литературе.

Проверка гипотезы о законе распределения случайной величины была выполнена согласно ГОСТ Р 50.1.037-2002 с помощью одного из непараметрических критериев согласия - омега-квадрат. Полученное выборочное значение статистики Крамера-Мизеса-Смирнова =0,1138 меньше критического для проверки сложной гипотезы =0,2112. Вероятность Р(0,2112)=0,5472. Следовательно, выборочные наблюдения расходов не противоречили нормальному распределению.

В третьей главе работы изложены результаты вычислительного эксперимента кинематических характеристик потока и определения длин участка стабилизации узлового сопротивления. Для построения векторных и скалярных полей скоростей и давлений на персональном компьютере в пакете прикладных программ STAR-CD, получившем мировое признание в области гидродинамических расчетов систем охлаждения ядерных реакторов и энергетических установок, была создана численная модель течения в рассматриваемом узле и проведен вычислительный эксперимент. Сравнение значений местных сопротивлений и давлений по результатам численного моделирования с данными распределения пьезометрических давлений натурного эксперимента показали хорошее совпадение. Полученные поля скоростей для некоторых рассматриваемых случаев приведены на рисунке 4. Данные скоростных полей были обработаны в программе, созданной автором в среде Delphi, и позволяющей выполнять подсчет значений коэффициента Кориолиса . Створы, в которых значение коэффициента Кориолиса соответствовало развитому турбулентному течению, были приняты в качестве границ зоны стабилизации потока за местным сопротивлением. Ниши квадратного сечения вносят незначительные возмущения в поток и длины их влияния не превышают 3d. Зона влияния задвижки вверх по течению составляет 1d; 1,2d; 2d; 3,5d для степеней закрытия 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 соответственно. Для узла с боковым ответвлением 300 и регулировании расхода двумя типами задвижек на рис. 5 в качестве примера приведена динамика коэффициента Кориолиса для числа Рейнольдса и =0,018 (за начало координат принята ось задвижки).

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 4. Распределение скоростных полей в узле «задвижка-ниша»:

а) - угол 300 и a/d=0,4; б) - угол 600 и a/d=0,2; в) - угол 900 и a/d=0,1; г) - угол 1200 и a/d=0,2; д) - 1500 и a/d=0,3.

Длины влияния изучаемых узлов приведены в таблице 1.



Рис. 5. Изменение коэффициент Кориолиса при регулировании двумя типами задвижек a/d=0,1ч0,4: а) нестандартизованной односторонней задвижкой; б) нестандартизованной двухсторонней задвижкой.

Таблица 1.

Длины влияния узлов местных сопротивлений

Угол бокового ответвления	a/d
	0,1	0,2	0,3	0,4
	Плоская односторонняя задвижка без выемки для клапана
300	6,8d	8,7d	12d	13d
600	8d	12d	14d	14,7d
900	3,7d	8d	14d	14,7d
1200	3,7d	12d	14d	17d
1500	10d	12d	14d	17d
	Плоская двухсторонняя задвижка без выемки для клапана
300	4d	5d	6d	6,5d

Примечание: приведены длины влияния вниз от оси задвижки для =0,018, .

Расчеты показывают, что поток выравнивает свое поле скоростей за нестандартизованной односторонней задвижкой на расстоянии от 6,8 до 13d в зависимости от степени закрытия, и на расстоянии 46,5d для регулируемой нестандартизованной двухсторонней прямоугольной задвижки. Зона влияния узла во всех рассмотренных случаях больше, чем зона влияния единичного сопротивления. Это вызвано более сильным искажением поля скоростей, при котором поток, не успев стабилизироваться после выхода из первого сопротивления, входит во второе.

Полученные эпюры скоростей и длины участков стабилизации позволили выявить наиболее опасные участки трубопровода, в пределах которых стенки подвергаются наибольшему гидродинамическому воздействию потока (Таблица 2). На этих участках возможны частые повреждения. Расположенное здесь стыковое соединение снизит общую надежность водовода. Если в этих местах невозможно избежать стыков труб, они должны быть выполнены с особенной тщательностью и следует обеспечить доступ к участку с целью его последующего ремонта.

Таблица 2.

Границы зон выхода скоростного ядра на стенки трубопровода за задвижками (для всех углов ответвлений тройников)

Задвижка	a/d
	0,1	0,2	0,3	0,4
односторонняя	1d	1,5d	3d	4d
двухсторонняя	1d	1,5d	2d	2,5d

Четвертая глава диссертационной работы посвящена исследованию гидравлических сопротивлений. Начальным этапом стало определение значений гидравлического коэффициента трения (коэффициента Дарси) для трубопровода квадратного сечения. Экспериментально коэффициент л определялся на прямом участке длиной . Получена эмпирическая формула для расчета гидравлического коэффициента трения:

. (5)

Уравнение (5) имеет хорошие статистические оценки и может быть использовано в диапазоне чисел Рейнольдса . За характерный линейный размер в числе Re принимался учетверенный гидравлический радиус (гидравлический диаметр). По рекомендациям И.Е.Идельчика и Е.А.Адамова в качестве линейного поперечного размера водовода взят эквивалентный диаметр по площади .Эмпирические данные не противоречат исследованиям И.Е. Идельчика для турбулентной области гидравлических сопротивлений прямоугольных труб и лежат в диапазоне значений, определяемых по формуле А.Д. Альтшуля (рис.6).

Рис. 6. Сравнение значений коэффициента Дарси:

1 - экспериментальные данные; 2 - границы доверительного интервала; 3 - значения коэффициента л по формуле Кольбрука; 4 - значения коэффициента л по формуле Филоненко-Альтшуля для гладких труб; 5 - значения коэффициента л по формуле Блазиуса.

Разность потерь энергии на участке узла и эквивалентном прямом участке соответствовала потере энергии на местном сопротивлении. При турбулентном движении с достаточно высокими числами Рейнольдса коэффициенты местных сопротивлений ж представляют собой функции только геометрических параметров потока и силы вязкости не оказывают влияния на величины этих коэффициентов. По данным различных исследователей это происходит при значениях , но величина может быть смещена как в меньшую, так и в большую сторону в зависимости от вида местного сопротивления. Предыдущие исследования местных сопротивлений лежали в диапазоне чисел Рейнольдса - и авторы обосновывали квадратичную область местных сопротивлений и их независимость от сил вязкости. Экспериментальные исследования показали, что для рассматриваемых узлов и входящих в них единичных сопротивлений диапазон чисел Рейнольдса принадлежит квадратичной области сопротивлений, и значение коэффициента ж зависит только от геометрии местного сопротивления. Динамику ж для нескольких серий можно увидеть на рис.7.

Рис. 7. Зависимость при регулировании односторонней задвижкой: 1 - тройник б=300 (на проход); 2 - a/d=0,1; 3 - a/d=0,2; 4 - a/d=0,3; 5 - a/d=0,4.

Полученные коэффициенты сопротивления задвижек при размере трубопровода 85х85мм (вдвое меньшем, чем в экспериментах Б.И. Яньшина) с точностью до погрешности совпали со значениями автора. В справочной литературе данные Б.И. Яньшина приводятся с указанием размера трубопровода - 150х150мм.

В результате гидравлического эксперимента были получены значения сопротивлений ниш для различных углов ответвления. Получено универсальное уравнение, применимое для определения коэффициента сопротивления с.п. равнопроходных приточных и вытяжных тройников круглого и квадратного сечений при отсутствии расхода бокового ответвления:

жс.п = -0,0282А2 - 0,0265А + 0,154, (6)

где А=sin + cos , здесь - угол бокового ответвления.

Уравнение имело хорошие статистические оценки - коэффициент детерминации R2=0,993, было статистически значимо (критерий Фишера F-значение=0,0068<0,05), имело статистически значимые коэффициенты (р-значения соответственно равные 0,0005; 0,0502; 0,0505). Для проверки применения полученной зависимости при определении коэффициентов сопротивлений ниш в трубах круглого сечения на факторное поле были нанесены имеющиеся данные жс.п для углов 450, 900 и 1350. С модельной кривой совпали 60% данных, 40% данных попали внутрь доверительного интервала для вероятности 95% (рис.8).

Рис. 8. Кривая сопротивлений равнопроходных тройников с.п. при отсутствии расхода бокового ответвления (сопротивлений ниш).

Коэффициент сопротивления узла может быть представлен в виде:

, (7)

где - коэффициент взаимного влияния местных сопротивлений; и - коэффициенты местных потерь в первом и втором изолировано работающих местных сопротивлениях.

В таблице 3 и таблице 4 приведены значения коэффициентов сопротивления узла «регулируемая задвижка-тройник» при отсутствии бокового расхода и коэффициентов взаимного влияния для рассматриваемых случаев (в числителе приведены данные для узлов с несимметричными задвижками, в знаменателе - с симметричными задвижками).

Таблица 3.

Коэффициент сопротивления узла узла при расположении регулируемой задвижки перед нишей с различным углом ответвления

Степень закрытия задвижки a/d	Угол бокового подвода
	300	600	900	1200	1500
0,1	0,16/0,16	0,23	0,22	0,22	0,27
0,2	0,48/0,43	0,53	0,50	0,53	0,56
0,3	1,07/1,14	1,10	1,07	1,14	1,16
0,4	2,33/1,96	2,16	2,12	2,22	2,23

Таблица 4.

Коэффициент взаимного влияния при расположении регулируемой задвижки перед нишей с различным углом ответвления

Степень закрытия задвижки a/d	Угол бокового подвода
	300	600	900	1200	1500
0,1	0,79/0,78	1,10	0,89	0,78	0,89
0,2	0,82/0,81	0,90	0,80	0,80	0,82
0,3	0,98/0,99	1,02	0,96	0,98	0,99
0,4	0,99/1,04	0,91	0,88	0,91	0,91

Заключение

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

1. Впервые получена экспериментальная зависимость по определению значений гидравлического коэффициента трения в трубах квадратного сечения для диапазона чисел Рейнольдса Re=1,11053105. 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.

2. По результатам вычислительного эксперимента получены эпюры полей давлений и скоростей (векторных и скалярных) в окрестности узла: нестандартизованных одно- и двухсторонних прямоугольных задвижек при различных степенях закрытия, нестандартизированных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 300 до 1500 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 (1ч4)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 и =0,018, позволяющие в дальнейшем разграничивать единичные тройники, регулируемые задвижки и их узлы при проведении гидравлических расчетов. Доказано, что числа Рейнольдса в диапазоне Re=1,11053105 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 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 300 до 1500 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.п. равнопроходных приточных и вытяжных тройников круглого и квадратного сечений при отсутствии расхода бокового ответвления. Зависимость дополняет существующие универсальные формулы расчета сопротивлений равнопроходных тройников, которые позволяют вычислить сопротивление на боковой проход с.б., но дают нулевые значения с.п. 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 300, 600, 900, 1200, 1500, видах (одно- и 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=0,10,2. 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Снежко, В.Л., Палиивец, М.С. Эффект взаимного влияния регулируемой задвижки и тройника в напорном водоводе [Текст] / В.Л. Снежко, М.С. Палиивец // Приволжский научный журнал. - 2010. - №1(13). - С. 59-65. - ISSN 1995-2511. (ВАК)

2. Снежко, В.Л., Палиивец, М.С. Кинематическая структура потока и гидравлические сопротивления узла «регулируемая задвижка-тройник» в напорном водоводе [Текст] / В.Л. Снежко, М.С. Палиивец // Природообустройство. - 2010. - №1. - С. 54-59. - ISSN 1997-6011. (ВАК)

3. Палиивец, М.С. Перспективы применения железобетонных труб в напорных гидротехнических водоводах [Текст] / М.С. Палиивец // Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». Часть II. - М.: МГУП, 2007. - С. 89-93. - ISBN 978-5-89231-220-2.

4. Снежко, В.Л., Палиивец, М.С. Оценка влияния шероховатости и геометрических параметров напорного водовода на величину местного сопротивления узла [Текст] / В.Л. Снежко, М.С. Палиивец // Материалы международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». Часть II. - М.: МГУП, 2009. - С. 111-115. - ISBN 978-5-89231-220-2.

5. Снежко, В.Л., Палиивец, М.С. Экспериментальные исследования узлов местных сопротивлений напорных гидротехнических водоводов [Текст] / В.Л. Снежко, М.С. Палиивец // Доклады 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. Часть II. - СПб.: СПбГАСУ, 2009. - С. 71-76. - ISBN 978-5-9227-0150-1.

6. Снежко, В.Л., Палиивец, М.С. Учет гидравлических характеристик напорных водоводов как фактор повышения их надежности [Текст] / В.Л. Снежко, М.С. Палиивец // Материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009г. «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» - Самара: СГАСУ, 2010. - С. 575-579. - ISBN 987-5-9585-0368-1.

Размещено на Allbest.ru

...