«Зарядка» гофрированной водопропускной трубы

Как отмечалось ранее, смена полунапорного режима напорным режимом, называемая «зарядкой», является непрогнозируемой в гладкостенных водопропускных трубах. Кроме того, устойчивая работа гладкостенных труб в напорном режиме после «зарядки» отнюдь не гарантирована. Напротив, она даже невозможна. Воздух, попадающий в трубу со стороны верхнего бьефа через вихревые воронки в зону с вакуумметрическим давлением на входе, нарушает устойчивость напорного режима, снижает пропускную способность трубы и обычно приводит к срыву напорного режима. «Зарядка» гофрированных водопропускных труб происходит гарантированно с обычными типами входных оголовков.
Для проверки сделанных выводов или их опровержения в ходе проведения исследований модели МГТ с гладким лотком по дну на вышеописанной экспериментальной установке при её работе в полунапорном режиме одновременно изучались «зарядка» МГТ, а также условия её работы после «зарядки». Следует отметить, что полупрозрачный стеклопластик, из которого выполнена модель гофрированной трубы, позволял регистрировать свободную поверхность водного потока в месте её контакта со стенкой трубы и точно определять момент «зарядки» трубы, а также устанавливать характер движения воздуха при его попадании в трубу через вихревую воронку.
В исследованиях ЦНИИС, выполняемых в конце 90-х годов прошлого века, сделать такие наблюдения было невозможно, поскольку модель МГТ, выполненная из оцинкованного железа, была непрозрачной.
По существующей методике, разработанной ЦНИИС, параметры потока, при которых происходит «зарядка» трубы, определяются по относительному напору H/d перед МГТ. При проведении экспериментов устанавливался напор Н, при котором происходила «зарядка», а также регистрировался соответствующий расход воды Q. Опыты повторялись многократно для установления достоверных параметров потока в момент «зарядки» модели МГТ. Полученные результаты приведены в табл. 3.5, где также приводятся данные экспериментальных исследований ЦНИИС.
Экспериментальные исследования МГТ без оголовка показали, что при затоплении входного оголовка над ним самопроизвольно, практически постоянно, формируется одна или несколько вихревых воронок. Через вихревой шнур воронки в трубу поступает воздух, который, однако, не оказывает заметного влияния ни на устойчивость полунапорного режима, ни на пропускную способность трубы.

В предварительной серии экспериментов модели МГТ (lтIdр ? 22, iT = 0,096) было установлено, что при отсутствии гладкого лотка по дну «зарядка» наступала при относительном напоре Н/d ? 2,21 и параметре расхода ? = 0,933. Установленная величина относительного напора была заметно меньше H/d = 2,6...2,86, полученного ЦНИИС при исследовании аналогичной модели МГТ без входного оголовка. В тоже время значения параметров расхода, при которых происходила «зарядка», достаточно близки (0,933 и 0,96...1,0 - ЦНИИС). Исследованные уклоны модели МГТ (0,096 и 0,1) в момент «зарядки» превышали критический уклон и поэтому в трубе не формировался гидравлический прыжок. Расчеты показывают, что при «зарядке» исследованной в МАДИ модели МГТ критическая глубина составляла hK = 0,941 dвн, а нормальная глубина - h0 = 0,794dВН, т.е. уклон трубы iT = 0,096 превышал критический уклон iK = 0,0778.
Исследования аналогичной модели МГТ с гладким лотком по дну показали, что «зарядка» происходит при H/dр = 2,204 и ? ? 0,988. То есть наличие гладкого лотка не оказывает заметного влияния ни на величину относительного напора, ни на параметр расхода, при которых происходит «зарядка». В тоже время гладкий лоток уменьшает сопротивления, испытываемые водным потоком, поэтому уменьшается нормальная глубина (h0 = 0,651dp), а критическая глубина практически не меняется (hK = 0,952dр).
У модели МГТ с гладким лотком и уклоном iT = 0,01 «зарядка» наступает при небольших затоплениях входного оголовка (с lтIdр ? 22 при H/dр ? 1,23; ? ? 0,565; а с lтIdр ? 28 при H/dр ? 1,21; ? ? 0,542). С увеличением iT возрастают параметры потока, при которых происходит «зарядка» трубы.
Так, труба с уклоном iT = 0,031, при относительной длине lт/dр ? 22 «заряжается» при H/dp ? 1,796; ? ? 0,833, а при относительной длине lт/dp ? 28 при H/dp ? 1,715; ? ? 0,815. При iT = 0,05 и lт/dp ? 22 «зарядка» происходит при H/dp ? 2,145; ? ? 0,953.
Как отмечалось, уклоны исследованных моделей МГТ без гладкого лотка (iT = 0,096 и iT = 0,1) в момент зарядки превышают критический уклон. То же самое наблюдается для исследованных моделей МГТ с гладким лотком с уклонами iT = 0,031; iT = 0,05; iT = 0,096, у которых величина критического уклона при «зарядке» соответственно равнялась iK = 0,0236; iK = 0,0343; iK = 0,0477. А вот у моделей с iT = 0,01 величина iK была около 0,0125, т.е. уклон трубы был меньше критического уклона и поэтому в трубе формировался гидравлический прыжок.
Ни у одной из исследованных в МАДИ моделей МГТ с гладким лотком по дну или без него нормальная глубина потока в момент «зарядки» не была близка к расчетному диаметру. У модели МГТ с гладким лотком по дну с iT = 0,01; 0,031; 0,05; 0,096 «зарядка» наступала при отношении h0/dp соответственно равном 0,87...0,9; 0,76...0,77; 0,735; 0,65. При этом меньшая величина параметра h0/dp соответствует относительной длине трубы lт/dр ? 28, а большая - lтIdp ? 22, т.е. влияние относительной длины в исследованном диапазоне небольшое.
При iT = 0,096 «зарядка» модели МГТ (lтIdВН ? 27) без гладкого лотка по дну происходит при заметно большей нормальной глубине (h0/dp ? 0,794), чем модели с гладким лотком (h0/dp ? 0,65). Однако параметры расхода 0, соответствующие «зарядке», имеют близкие значения (? = 0,988 и 0,933 соответственно при отсутствии и наличии гладкого лотка). Поэтому моменту «зарядки» соответствуют и близкие относительные критические глубины (hк/dр ? 0,952 и 0,941 соответственно при наличии и отсутствии гладкого лотка). Для исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну с iT = 0,01; 0,031; 0,05; 0,096 соответствующие моменту «зарядки» относительные критические глубины соответственно равны: hк/dр ? 0,77...0,785; 0,908...0,915; 0,945; 0,952 (меньшая величина hк/dр соответствует lтIdр ? 28, а большая -lт/dр ? 22).
Таким образом, полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что наличие гладкого лотка по дну не оказывает существенного влияния на величину параметра расхода 0 и относительной критической глубины кh/dр, при которых происходит «зарядка» МГТ. В тоже время величина относительного напора H/dp меняется. На рис. 3.20 приводится график зависимости параметров расхода ?, при которых происходит «зарядка» МПГ, в зависимости от её уклона iT.

На график нанесены полученные результаты экспериментальных исследований МПГ с гладким лотком по дну и без него, а также данные экспериментальных исследований ЦНИИС МГТ без гладкого лотка по дну. Аналогичный вид имеет и график зависимости hк/dp от iT, но пользоваться таким графиком менее удобно, поскольку требуется предварительный расчет hк.
Существующая методика расчета относительного напора H/dр, при котором происходит зарядка МГТ с гладким лотком, разработанная ЦНИИС, основана на предположении, что наличие гладкого лотка приводит к увеличению значений H/dр. Проведенные в МАДИ экспериментальные исследования не подтверждают этого. Модельные исследования показали, что параметры потока при «зарядке» трубы следует устанавливать не по H/dр, а по параметру расхода ?. Предлагаемый график ? = f(iT) может быть использован для МГТ без входного оголовка исследованной относительной длины как с гладким лотком по дну, так и без него.
«Зарядка» исследованной модели МГТ с гладким лотком по дну при полунапорном режиме и формирование частично-напорного режима при уклонах трубы iT = 0,01 и 0,031 не приводит к заметному изменению пропускной способности трубы и напор H перед трубой при поддержании постоянным расхода Q практически не меняется.
При уклонах iT = 0,05 и 0,096 с наступлением частично-напорного режима пропускная способность трубы возрастает и напор H перед трубой уменьшается. Однако это не приводит к «разрядке» трубы даже при максимальном исследованном уклоне iT = 0,096. Если же iT = 0,05, то снижение величины H небольшое (см. рис. 3.19). Отметим, что по существующим рекомендациям значение iT = 0,05 принимается максимально допустимым для МГТ.
Ни в одном из проведенных опытов даже при максимальном iT = 0,096 в МГТ после «зарядки» не формируется неблагоприятная форма переходного режима, при которой в трубу при небольшом затоплении входного оголовка поступает воздух.
При работе исследованной модели МГТ с гладким лотком по дну в частично-напорном и напорном режимах в верхнем бьефе над входным оголовком формируется устойчивая вихревая воронка, через которую в трубу поступает воздух. Это, однако, не приводит к формированию переходного режима, поскольку даже при максимальном исследованном уклоне вакуум метрическое давление на входе небольшое и наблюдается только у шелыги трубы, а воздух поступает в нижнюю четверть, занятую гладким лотком, в которой давление манометрическое. Поэтому воздух, попадающий в лотковую часть входного сечения трубы через вихревую воронку при частично-напорном и напорном режимах, перемещается по ней в виде небольших пузырьков, постепенно поднимающихся к своду трубы, что не оказывает влияния на устойчивость потока. Пропускная способность трубы при этом практически не меняется.
Наблюдения через полупрозрачные стенки стеклопластика за движением водного потока перед «зарядкой» в модели гофрированной трубы со спиральной формой гофра с различными входными оголовками показали, что при исследованных уклонах iT = 0,03 и 0,05 условия движения такие же, как и в модели МГТ с гладким лотком по дну. При расходах, близких к расходу «зарядки», за сжатым сечением формировалась кривая подпора, которая не достигала свода СМГТ. Движение за сечением с максимальной глубиной практически равномерное. На участке СМГТ за этим сечением поверхность водного потока сильно возмущенная, волнистая, но без косых волн и гребней, как в гладкой трубе. «Зарядка» наступала не сразу, а по истечении достаточно длительного времени (5...10 минут). «Зарядка» происходила в тот момент, когда одна из волн в сечении с максимальной глубиной касалась свода трубы. Начальный участок трубы начинал работать полным сечением, а на концевом участке - движение было безнапорным. В исследованных моделях после «зарядки» длина концевого безнапорного участка была небольшой. Формировался частичнонапорный режим, который с увеличением расхода плавно сменялся напорным режимом.
Параметры потока в исследованных моделях СМГТ без гладкого лотка при полунапорном режиме при «зарядке» трубы приведены в табл. 3.5. В этой же таблице приводятся те же параметры и для других исследованных моделей.
Как видим, в СМГТ без входного оголовка со срезом перпендикулярным оси трубы с iT = 0,03 «зарядка» происходит при: H/dр = 1,492; ? = 0,634; hк/d =0,832. В МГТ с гладким лотком по дну с таким же входом и уклоном «зарядка» происходит при несколько большем параметре расхода и относительном напоре: H/dр = 1,796; ? = 0,833; hк/d = 0,915. В то же время относительные наполнения у них близки: h0/d = 0,794 у СМГТ и h0/d = 0,77 у МГТ. То есть сказалось различие в коэффициентах шероховатости при безнапорном движении, который в спиральновитой трубе выше. Конечно, различаются и относительные длины сравниваемых труб. Ho меньшая относительная длина СМГТ должна несколько увеличить относительный напор и параметр расхода, соответствующие «зарядке». Проведя такое же сопоставление для тех же труб при iT = 0,05, мы получаем практически такой же результат. «Зарядка» спиральновитой гофрированной трубы происходит при меньших значениях H/dp, ? и hк/d, но несколько большем относительном наполнении h0/d, чем для гофрированной трубы с нормальной формой гофра.
Интересные результаты получены по влиянию условий входа на «зарядку». Можно было ожидать, что более благоприятные условия входа у раструбного и портального оголовков обеспечат меньшие значения H/dр, ?; и hк/d при «зарядке» по сравнению с безоголовочным входом, как это установлено в исследованиях ЦНИИС (см. табл. 3.5). Однако произошло обратное - все параметры возросли, хотя и не очень существенно. В то же время полученные для раструбного и портального входных оголовков значения H/dp; ? и hк/d, соответствующие «зарядке», близки между собой.
Пропускная способность исследованной СМГТ со всеми типами оголовков после «зарядки» увеличивалась и относительный напор H/dр уменьшался, но ненамного и поэтому не происходило формирования переходного режима, как в гладких бетонных трубах. При уклоне трубы iT = 0,03 для входа без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, а также портальной стенки и раструбного входных оголовков H/dp после «зарядки» снижался соответственно: с 1,49 до 1.4; с 1,61 до 1,4; с 1,66 до 1,45. При iT = 0,05 «зарядка» происходила при большем H/dp, чем при iT = 0,03, и его понижение было тоже большим. Для исследованных типов входа: без оголовка со срезом перпендикулярным оси трубы, портальная стенка и раструбного H/dp после «зарядки» СМГТ с iT = 0,05 снижался соответственно: с 1,85 до 1.46; с 2,05 до 1,6; с 1,96 до 1,6.
В заключение отметим, что полученных экспериментальных данных по «зарядке» спиральновитых гофрированных труб получено недостаточно для составления обобщений и прогнозов.
Выполненные экспериментальные гидравлические исследования моделей МГТ и СМГТ показали, что в рекомендуемом диапазоне уклонов их использования (0,01 ? iT ? 0,05) они самопроизвольно «заряжаются» при небольшом затоплении входного оголовка и устойчиво работают в частично-напорном и напорном режимах. Вихревые воронки, формирующиеся над входным оголовком, не оказывают заметного влияния ни на устойчивость частично-напорного и напорного режимов, ни на пропускную способность трубы. Поступление воздуха в трубу через вихревые воронки не приводит к формированию в ней неблагоприятного переходного режима.
По рис. 3.20 можно определить параметр расхода 9 в зависимости от уклона трубы iT, при котором происходит «зарядка» МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну или без него, относительной длиной lт/dp ? 22...28.
По табл. 3.5 можно установить параметры потока (H/dр; ?; hк/d; h0/d), при которых происходит «зарядка» спиральновитой гофрированной трубы с гофром 125x25 мм с исследованными типами входного оголовка.
Хотя действие вихревой воронки, как отмечалось выше, практически не сказывается ни на устойчивости этих режимов, ни на пропускной способности МГТ, но все же желательно не допускать её формирование. Это объясняется тем, что вихревая воронка захватывает плавающие предметы и мусор над входным оголовком и направляет их в трубу. В тех случаях, когда эти предметы мелкие и не повреждают входной оголовок, действие вихревой воронки можно считать положительным. Ho если они крупные и могут повредить сам оголовок или перегородить входное сечение, то такое действие вихревой воронки - отрицательное.
Как показали выполненные исследования, хорошее противовихревое воздействие оказывает конструкция входного оголовка в виде портальной стенки. Исследования моделей МГТ с гладким лотком по дну при iT = 0,05 и СМГТ с iT = 0,03 и 0,05 с таким входным оголовком показали, что воронка с вихревым шнуром в верхнем бьефе при полу-напорном, частично-напорном и напорном режимах практически не формируется.
Простым и эффективным решением проблемы борьбы с попаданием в трубу мусора является установка перед входным оголовком различного вида перегораживающих решетчатых конструкций (buffles), нашедших широкое применение за рубежом. Такие конструкции не только препятствуют попаданию крупного мусора в водопропускную трубу, но и в определенной степени препятствуют формированию вихревых воронок за счет дополнительной турбулизации потока.