Оценка гидравлических сопротивлений металлических гофрированных труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка гидравлических сопротивлений металлических гофрированных труб

В.И. Алтунин - канд. техн. наук, доцент;

М.В. Федотов - инженер; С.С. Нахмурин - инженер

ФГОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет»,

г. Москва, Россия

О.Н. Черных - канд. техн. наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», г. Москва, Россия

В статье обсуждаются результаты экспериментальных модельных исследований металлических гофрированных водопропускных труб с гладким лотком в донной части. Получены необходимые для расчётов данные о гидравлических сопротивлениях при безнапорном и напорном режимах движения потока в гофрированных трубах, позволяющие уточнить существующие рекомендации.

In this article are given results of experimental modeling investigations made on metal corrugated pipes with smooth channel in bottom part. As a result were received necessary for calculation water resistance data of free-flow and flow process in corrugated pipes, which permit specify current recommendations.

В настоящее время водопропускные трубы из гофрированного металла находят широкое применение в различных областях народного хозяйства (водное хозяйство, городское и парковое строительство, автодорожное строительство, рыбное хозяйство, железнодорожный транспорт и др.). Для исключения влияния агрессивной внешней среды на гофролисты наносят двухстороннее цинковое или алюминиево-цинковое покрытие толщиной около 80…100 мкм либо эпоксидное покрытие, либо покрытие из мастики Гермокрон слоем 120…150 мм. В результате срок безаварийной эксплуатации сооружений увеличивается до 25-100 лет. Обычно металлическая труба из гофрированных структур устанавливается на подготовленное основание или грунтовую подушку [5].

В донной части водопропускной гофрированной трубы на нерестовых водотоках делают каменную наброску, а на незарыблённых водотоках устраивается бетонный, железобетонный либо асфальтобетонный лоток толщиной 0,1… 0,3 м. Он закрывает нижний сегмент трубы с центральным углом 90, 120 или 180⁰ и защищает её антикоррозионное покрытие от истирания взвесями, содержащимися в водном потоке. За рубежом [1] гладкий лоток занимает обычно 25 или 50% внутреннего периметра трубы. В нашей стране устраивается гладкий лоток, покрывающий 25 или 33,3% внутренней поверхности трубы [2]. Наличие гладкого лотка уменьшает гидравлические сопротивления, испытываемые потоком жидкости при движении. Снижение сопротивлений определяется размером лотка. В нашей стране до сих пор не проведены такие гидравлические исследования. Существующие рекомендации [2] не имеют какого-либо экспериментального обоснования.

В гидравлической лаборатории МАДИ в 2010 г. были проведены модельные гидравлические исследования гофрированной водопропускной трубы с гладким лотком по дну. В масштабе 1:5 моделировалась труба диаметром d = 1 м с гофром lx = 130 х 32,5 мм (где - длина волны гофра, - высота волны гофра). Диаметр модели равнялся 20 см, а размер гофра 26 х 6,5 мм. Труба состояла из десяти секций с фланцевым соединением общей длиной 5,2 м и имела уклон 0,09555. Диаметр трубы измерялся от середины гофров, поэтому внутренний диаметр трубы был меньше на высоту волны гофра и составлял d_вн =19,35 см. В нижней трети трубы по всей её длине устраивался гладкий лоток толщиной = 12 мм.

Модель гофрированной трубы выполнялась из полупрозрачного стеклопластика, а гладкий лоток - из оргстекла. Лоток жестко крепился к гофрированной трубе. Полость между гофром и лотком в верхней части промазывалась пластилином. По всей длине трубы у дна было установлено 24 пьезометра, с помощью которых регистрировалось положение свободной поверхности водного потока при безнапорном движении и пьезометрическое давление при напорном. Вход в трубу был выполнен безоголовочным, а на выходе - портальная стенка. Подводящий и отводящий к трубе лотки имели прямоугольную форму (шириной 60 см) и выполнялись из оргстекла. Полупрозрачный материал трубы позволял наблюдать свободную поверхность воды при безнапорном движении в месте её контакта с трубой. Уровни свободной поверхности воды перед трубой и за ней регистрировались с помощью мерной иглы. Расходы измерялись треугольным водосливом с тонкой стенкой Томсона с расчетом расхода по формуле Кинга. гофрированный водопропускной труба гидравлический

С помощью специально составленной компьютерной программы, после введения измеренных параметров потока, строилась кривая свободной поверхности в трубе при безнапорном движении или пьезометрическая линия при напорном. При обработке экспериментальных данных по этой программе находились нормальные глубины h_о, коэффициенты шероховатости n, коэффициенты гидравлического сопротивления по длине , числа Рейнольдса Re и другие необходимые параметры.

При выполнении гидравлических расчетов в качестве расчетного диаметра гофрированной трубы обычно принимается её внутренний диаметр. Поскольку наличие гладкого лотка уменьшает площадь сечения гофрированной трубы, то за расчетный, принимался диаметр трубы, площадь сечения которой равнялась внутренней площади гофрированной

трубы, за вычетом площади занимаемой гладким лотком. Для исследованной модели гофрированной трубы с d_вн = 19,35 см расчетный диаметр равнялся d_р = 18,6 см. При расчете коэффициента шероховатости использовалась формула Маннинга.

В результате исследований было установлено, что для гофротрубы, работающей не полным сечением, с увеличением её наполнения до h_о/d_р = 0,35 коэффициент шероховатости возрастает. В диапазоне h_о/d_р = 0,35…0,66 величина коэффициента шероховатости изменяется в пределах значений n = 0,019…,0,0206 и без большой погрешности может быть принята постоянной и равной 0,0195. В пересчете на натурный размер гофра с учётом масштаба модели 1:5 коэффициент шероховатости будет равен

n_н = n_мхМ^1/6 = 0,0195 х 5^1/6 = 0,0255.

Коэффициенты гидравлического сопротивления при различных числах Рейнольдса (Re) для модели гофрированной трубы с гладким лотком, работающей полным сечением, приведены на рисунке. Как можно видеть, при 350000 наблюдается автомодельная область сопротивления, а коэффициент гидравлического сопротивления постоянен и равен = 0,08. При этом величина коэффициента шероховатости модели в формуле Маннинга будет равна

.

Тогда для натурного размера гофра

n_н = n_мхМ^1/6 = 0,01915 х 5^1/6 = 0,025.

График зависимости = f(Re): 1 - опытные точки для модели гофрированной трубы диаметром d_вн = 19,35 см с гофром

= 26х6,5 мм; 2 - опытные точки Ч. Нейлла для натурной

гофрированной трубы d_вн = 38,1 см с гофром = 67,7х12,7 мм [3]; 4 - опытные точки для модели гофрированной трубы

d_р = 18,6 см с гладким лотком по дну ( = 120⁰)

Таким образом, величина коэффициента шероховатости при напорном движении водного потока в гофрированной трубе с гладким лотком по дну (n_н = 0,025) практически совпадает с его значением при безнапорном движении с наполнением трубы h_о/d_р = 0,35…0,66 (n_н = 0,0255).

Сопоставление результатов исследований этой же гофрированной трубы, но без гладкого лотка, а также с экспериментальными данными Ч. Нейлла [3], полученными им при исследовании натурной гофрированной трубы диаметром d_вн = 38,1 см со стандартным гофром ( = 67,7 мм; = 12,7 мм), показали хорошее совпадение. Это объясняется практическим равенством относительной высоты гофра / d_вн (0,0336 - МАДИ и 0,0333 - Ч. Нейлл). Бульший шаг стандартного гофра, исследованного Ч. Нейлом (l/ = 5,33), по сравнению с гофром, исследованным в МАДИ (l/ = 4), не оказал заметного влияния на величину коэффициента . Это позволяет сделать два вывода: 1 - в исследованиях достигнута автомодельная область сопротивлений по числу Рейнольдса; 2 - о возможности корректного переноса полученных результатов исследований в натуру.

Исследования подтверждают, что устройство гладкого лотка по дну приводит к уменьшению коэффициента шероховатости. Расчеты показывают: если принять для исследованной гофрированной трубы без гладкого лотка по дну в автомодельной области сопротивления коэффициент = 0,114, то коэффициент шероховатости натурной трубы оказывается равным n_н = 0,03. То есть устройство гладкого лотка принятых размеров привело к 20% уменьшению коэффициента шероховатости.

В нашей стране для расчета коэффициента шероховатости с учетом гладкого лотка n_гл.л. используется зависимость, которую предложил в 1950 г. Эйнштейн [2]

n_гл.л. = , (1)

где - периметры сечения трубы, занимаемые соответственно гладким лотком и гофром; - коэффициенты их шероховатости.

За рубежом в справочной литературе рекомендуется использовать зависимость, которую предложили в 1933- 1934 гг. Хортоном и Эйнштейном

n_гл.л. = . (2)

Расчёт по этим двум зависимостям был выполнен для трубы диаметром d = 1 м с гладким лотком, занимающим треть периметра (33,33%) с коэффициентами шероховатости n_гл = 0,014 и n_гофр = 0,03. Диаметр трубы, как отмечалось выше, измеряется от середины гофров, поэтому внутренний периметр трубы рассчитывался по внутреннему диаметру d_вн, который меньше d на высоту гофра = 3,25 см. Расчетная величина коэффициента шероховатости по зависимости (1) оказалась равной n_гл.л. = 0,0208, а по зависимости (2) - n_гл.л. = 0,0196. Оба значения оказались меньше найденной экспериментально величины n_гл.л. = 0,025. Достаточно близкие расчетные коэффициенты шероховатости по зависимостям (1) и (2) получаются, если показатель степени за скобкой в зависимости (1) принять равным 0,475 (вместо 0,5), а в зависимости (2) - 0,625 (вместо 0,67). При этом получаемые по зависимостям (1) и (2) коэффициенты шероховатости соответственно равны n_гл.л.= 0,0252 и n_гл.л. = 0,02558.

Таким образом, впервые выполненные в нашей стране экспериментальные модельные исследования движения водного потока в гофрированной трубе с гладким лотком по дну, позволили получить необходимые для расчётов данные о гидравлических сопротивлениях в таких трубах, работающих в безнапорном и напорном режимах, и уточнить существующие рекомендации.

Библиографический список

1. Handbook of Steel drainage and highway construction products. Published C.S.P.I., Second Canadian Edition, Cambridge, Ontario, Canada, Second Printing, November 2007.

2. Пособие по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений. - М.: Минтрансстрой, 1992.

3. Neill C.R. Hydraulic roughness of corrugated pipes. Proceedings A.S.C.E. Journal of the hydraulics div., 1962. v.88. № 3.

4. Hydraulic design of highway culverts. U.S. Department of Transportation. Hydraulic design series number 5. Publication No. FHWA-NHI-01-020. Sept.2001 (Revised May 2005).

5. Черных О.Н., Алтунин В.И., Алтунина А.В., Аграновский А.М. Гидравлические исследования водопропускных переходов из металлических гофрированных структур.//Вопросы мелиорации. - М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоинформ», 2007. № 5-6. С. 65-69.

Размещено на Allbest.ru