Гидравлические сопротивления МГТ со спиральной формой гофра

12.01.2017

Безнапорное движение водного потока

В лаборатории МАДИ исследовалась модель СМГТ с внутренним диаметром d = 240 мм и гофром 25x5 мм (угол спиральности ? = 9°21'), представленная на рис. 3.11, которая в масштабе 1:5 моделирует натурную трубу d = 1200 мм с гофром 125x25 мм. Исследуемая модель трубы состоит из четырех секций, соединяемых на фланцах с общей длиной 408 см, уклонами iT = 0,03 и iT = 0,05, вход выполнен без оголовка, а на выходе - портальная стенка. Моделирование проводилось по Фруду с назначением масштаба модели из условия обеспечения при напорном движении водного потока квадратичной области сопротивления и диаметра трубы не менее 20 см. Согласно исследованиям ЦНИИС, при меньшем размере модели гофрированной трубы на гидравлические сопротивления может влиять размер модели, т.е. сказываться масштабный эффект.

Поскольку секции СМГТ соединяются на бандажах и концевые участки секций труб имеют нормальную форму гофра размером 68x13 мм, то в экспериментах длина концевых участков исследуемой модели составляла три длины волны гофра (13,54x2,54 мм при масштабе 1:5). Обычно диаметр гофрированных труб, в том числе и со спиральной формой гофра, устанавливается по минимальному внутреннему диаметру, который является расчетным. Модель гофрированной трубы была выполнена, как и МГТ, из полупрозрачного стеклопластика (рис. 3.12), что позволяло отчетливо наблюдать свободную поверхность водного потока при безнапорном движении в месте её контакта со стенкой трубы. Для регистрации поверхности воды в трубе при безнапорном движении и пьезометрического давления в различных сечениях по длине трубы при напорном движении водного потока, по её дну между выступами гофров (у внешнего диаметра) было установлено 22 пьезометра. В работах отмечается, что такое расположение пьезометров на гофре позволяет достаточно точно регистрировать положение свободной поверхности потока в МГТ при безнапорном движении и пьезометрическое давление в различных сечениях по длине трубы при напорном движении.

Подводящий и отводящий к трубе лотки имели прямоугольную форму (шириной 60 см) и выполнялись из оргстекла. Уровни свободной поверхности воды перед трубой и за ней регистрировались с помощью мерной иглы. Расходы Q измерялись треугольным водосливом Томсона с тонкой стенкой. Обработка опытных данных осуществлялась по специально составленной компьютерной программе.
На рис. 3.13 приведены графики зависимости коэффициента шероховатости исследованной модели от относительного наполнения h0/d, полученные при безнапорном движении водного потока при исследованных уклонах трубы.

При расчете коэффициента шероховатости величина коэффициента Шези рассчитывалась по формуле Маннинга. При малых наполнениях трубы до (0,15...0,2) h0/d коэффициенты шероховатости двух моделей имеют практически одинаковые значения и равны nм = 0,019...0,02. С увеличением наполнения до 0,45h0/d величины коэффициентов шероховатости исследованных моделей СМГТ увеличиваются. Однако степень увеличения различная. У модели с уклоном трубы iT = 0,03 значение коэффициента шероховатости повышается до nм = 0,0204 (увеличивается примерно на 7,4%), а у модели с iT = 0,05 - до nм = 0,0229 (примерно на 52,6%). С дальнейшим увеличением наполнения до ~ (0,81...0,82) h0/d величины коэффициентов шероховатости у обеих моделей практически не меняются. При h0/d ? 0,45 коэффициенты шероховатости имеют максимальные значения и при уклонах трубы iT = 0,03 и 0,05 соответственно равны nм = 0,0204 и nм = 0,0229. Различие между ними составляет около 12,4%. В пересчете на натурный размер гофра наполнению h0/d = 0,15 соответствует коэффициент шероховатости nн = nм*M1/6 = 0,019х5в1/6 = 0,0248, а наполнению h0/d = 0,45 соответственно nн = nмхМ/1/6 = 0,0204х5в1/6 = 0,0267 при iT = 0,03 и nн = nм*М1/6 = 0,0229х5в1/6 = 0,03 при iT = 0,05.
Возрастание значений коэффициента шероховатости с увеличением уклона спиральной МГТ при безнапорном движении водного потока согласуется с результатами вышерассмотренных исследований сопротивлений МГТ с нормальной формой гофра.
Визуальные наблюдения за движением водного потока в гофрированной трубе свидетельствуют, что при малых наполнениях МГТ, составляющих (0,15...0,2) h0/d, волнообразность поверхности небольшая и поэтому значения коэффициентов шероховатости при исследованных уклонах практически одинаковые. С увеличением наполнения возрастает волнообразование на свободной поверхности потока, что приводит к увеличению значений коэффициентов шероховатости. Увеличение уклона трубы при бурном состоянии потока также увеличивает волнообразование свободной поверхности. Это приводит к дополнительному увеличению коэффициента шероховатости, что отмечается и в работе.
Гидравлические сопротивления в исследуемой модели СМГТ изучались не только при безоголовочном входе, но также при устройстве на входе портальной стенки и раструбного входного оголовка. Полученные максимальные значения коэффициентов шероховатости при безнапорном движении водного потока на моделях с разными входными оголовками, но с одинаковыми уклонами, оказались практически равными. Так, при уклоне трубы iT = 0,05 максимальные коэффициенты шероховатости натурного гофра (nн) размером 125x25 мм при безоголовочном, портальном и раструбном входах соответственно равны 0,0298; 0,0303 и 0,0301. Если же iT = 0,03, то для безоголовочного, портального и раструбного входов максимальные значения nн различны и соответственно равны 0,0268; 0,02694 и 0,02694.
Таким образом, вне зависимости от типа входного оголовка при безнапорном движении водного потока в исследованной СМГТ с d = 1,2 м и гофром 125x25 мм при уклонах iT = 0,03 и 0,05 коэффициенты шероховатости соответственно равны nн = 0,027 и 0,03.
Напорное движение водного потока

Установленное влияние уклона СМГТ на гидравлические сопротивления при безнапорном движении не должно проявляться при напорном движении, поскольку поток не имеет свободной поверхности. Полученные экспериментальные данные, представленные на рис. 3.14, подтверждают это.

Значения коэффициентов гидравлического сопротивления по длине ? при различных уклонах трубы и одинаковых числах Re практически совпадают. При Re ? 360000 можно считать значение ? не зависящим от Re и равным ? = 0,0925. При этом величина коэффициента шероховатости исследованной модели СМГТ без входного оголовка с расчетом коэффициента Шези по Маннингу составляет

В пересчете на натурную трубу диаметром d = 1,2 м коэффициент шероховатости будет составлять nн = nм*М1/6 = 0,02148*5в1/6 = 0,0281.
Полученные максимальные величины коэффициентов шероховатости СМГТ с безоголовочным входом при безнапорном движении отличаются от значений коэффициента шероховатости nн при напорном движении. Если при iT = 0,05 максимальный коэффициент шероховатости при безнапорном движении (nн = 0,0298) превышает (примерно на 6,05%) коэффициент шероховатости при напорном движении (nн = 0,0281), то при iT = 0,03 наоборот: при напорном движении значение коэффициента шероховатости выше, чем при безнапорном движении (nн = 0,0268), хотя различие и небольшое (4,63%).
Величины коэффициентов шероховатости СМГТ с портальным и раструбным входными оголовками при напорном движении оказались одинаковыми и равными nн = 0,02694, что меньше значения nн = 0,0281, полученного для безоголовочного входа (различие 4,1%). Влияние конструкции входного оголовка на величину коэффициента шероховатости объясняется дополнительными сопротивлениями, испытываемые водным потоком на входном участке.
Большую величину коэффициента шероховатости, полученную на модели с безоголовочным входом, можно объяснить большей деформацией потока на входе при этом оголовке по сравнению с раструбным и портальным оголовками. При определении сопротивлений по длине трубы участки с заметным искривлением пьезометрической линии на входе и выходе не учитывались. Однако деформация потока на входе распространяется по всей длине трубы, что и привело к увеличению коэффициента шероховатости у модели с безоголовочным входом, хотя и незначительному.
Исследуемая гофрированная водопропускная труба длинной lT = 17с/ является начальным участком длинной трубы. Как известно, в пределах начального участка происходит формирование поля скоростей турбулентного потока и сопротивления на нем за счет этого выше, чем у стабилизированного участка. Однако увеличение это для всех исследованных моделей примерно одинаковое и небольшое. По данным И.Е. Идельчика, при lТ ? 10d оно не превышает 6%. Длина начального участка обратно пропорциональна ?? и поэтому у гофрированной трубы по сравнению с гладкой трубой она заметно меньше, соответственно и влияние начального участка тоже меньше.
Можно принять величину коэффициента шероховатости исследованной СМГТ с гофром 125x25 мм при напорном движении равной nн = 0,02694*0,027. Тогда при безнапорном движении коэффициент шероховатости СМГТ с iT = 0,05 (nн = 0,0298 = 0,03) будет больше, чем при напорном движении, а при iT = 0,03 - их значения будут одинаковыми (nн = 0,027).
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что соотношение между коэффициентами шероховатости СМГТ при безнапорном и напорном движении зависит от уклона водопропускной трубы.
Установленная величина коэффициента шероховатости исследованной СМГТ с d = 1,2 м и гофром 125x25 мм при напорном движении nн = 0,027 заметно превышает рекомендуемый AISI для такой трубы коэффициент nн = 0,022 (см. табл. 3.2). Расхождение в сторону увеличения составляет примерно 22,7%. Однако полученное значение коэффициента шероховатости хорошо согласуется с результатами сделанного в параграфе 3.2 вывода на основе проведенного там же анализа, согласно которому величина коэффициента шероховатости гофра 125x25 мм при напорном движении не должна быть меньше nн = 0,027...0,028 и с рекомендацией работы: принимать для данного размера гофра nн = 0,028.
На рис. 3.15 и рис. 3.16 приведены графики зависимости критического уклона iK от величины параметра расхода ? для исследованных моделей СМГТ. По этим графикам можно определить iK для моделируемой натурной трубы диаметром d = 1,2 м. Для определения iK для трубы другого диаметра с такой же формой гофра найденный по графику iK в зависимости от ? следует разделить на корень квадратный из диаметра (?d), подставляя d в метрах.

Анализ графиков показывает, что спиральновитая гофрированная труба с d = 1,2 м без входного оголовка и с оголовком в виде портальной стенки, работающая в безнапорном режиме с расчетным заполнением на входе hВХ/dp = 0,75, уклонами iT = 0,03 и iT = 0,05 пропускает близкие расходы, соответствующие параметру расхода ? = 0,29. При этом величина критического уклона при уклонах трубы iT = 0,03 и 0,05 соответственно составляет iK = 0,016 и 0,019. Если же входной оголовок раструбный, то СМГТ с d = 1,2 м, iT = 0,03 и 0,05, работающая при hВХ/dр = 0,75, пропускает близкие расходы, соответствующие ? = 0,348, и имеет iK = 0,017 и 0,021 соответственно.