Введение к работе
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).
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.
