Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

25.05.2016

Выполненные в МАДИ экспериментальные исследования МГТ с гладким лотком по дну и без него, как и результаты исследований ЦНИИС, показали, что после «зарядки» водопропускная труба начинает работать полным сечением не на всей длине, а только на её части, т.е. устанавливается частично-напорный режим (рис. 3.21). При этом происходит увеличение пропускной способности трубы, но весьма небольшое даже при её максимальном уклоне.
На рис. 3.19 показано, что МГТ с гладким лотком по дну и максимальным уклоном iT = 0,05 «заряжается» при H/dp ≈ 2,145 (см. табл. 3.5). Пропускная способность трубы при этом увеличивается, что приводит к снижению относительного напора в верхнем бьефе перед трубой до H/dp ≈ 1,73 и установлению частично-напорного режима, при котором начальный участок трубы со стороны входного оголовка работает полным сечением, а на концевом участке - движение безнапорное. Увеличение расхода при частично-напорном режиме приводит к уменьшению длины концевого безнапорного участка. При некотором расходе труба на всей длине начинает работать полным сечением, т.е. устанавливается напорный режим. Переход трубы от работы в частично-напорном режиме к работе в напорном режиме никак не отражается на её пропускной способности (см. рис. 3.19).
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

Расчет пропускной способности дорожной трубы при её работе в напорном режиме с неподтопленным выходным отверстием и при частично-напорном режиме осуществляется по одной и той же расчетной формуле
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

где μ - коэффициент расхода, учитывающий сопротивления при движении потока, равный
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

ω - площадь сечения трубы, равная для круглых труб ω = πd2p/4; H0 - гидродинамический напор в верхнем бьефе перед трубой относительно дна входного сечения; iT, lT - соответственно уклон и длина трубы; ςвх, λ - коэффициенты сопротивления на вход и по длине трубы; R - гидравлический радиус, равный dp/4 для круглой трубы; η - коэффициент, учитывающий распределение давления в выходном сечении трубы; dp - расчетный диаметр гофрированной трубы, равный её минимальному внутреннему диаметру, если труба не имеет гладкого лотка по дну (dВН).
Если труба работает в частично-напорном режиме с длиной концевого безнапорного участка lк, то в качестве расчетной длины трубы lт в формулы (3.12) и (3.13) подставляется длина участка трубы, работающего полным сечением, равная (lт - lк). В этом случае расчетные формулы приобретают вид:
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

где μ - коэффициент расхода, учитывающий сопротивления на участке трубы, работающем полным сечением и равный
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

Для гладких (бетонных) водопропускных труб в отечественной и зарубежной справочной литературе значение коэффициента η принимается постоянным и соответственно равным η = 0,85 и 1,0.
В России для круглых МГТ величина коэффициента η назначается переменной в зависимости от параметра расхода θ. Если θ ≤ 1,35, то значение коэффициента η определяется по зависимости
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

а при θ ≥ 1,35 принимается η = 0,5.
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

В работе также отмечается зависимость величины коэффициента η от числа Фруда (параметра расхода). При этом величина η изменяется от 0,5 до 1,0. Такие же рекомендации даются и другими авторами, причем приводятся они для водовыпусков с гладкими трубами.
На рис. 3.22 приведен график зависимости η = f(θ), построенный по результатам экспериментальных исследований, проведенных в МАДИ, а также данным других авторов.
С увеличением параметра расхода значения η уменьшаются. He прослеживается заметного влияния на коэффициент η шероховатости поверхности трубы. Полученные в проведенных экспериментальных исследованиях данные для полностью гладкой и гофрированной труб, а также МГТ с гладким лотком по дну достаточно близки.
Полученные в МАДИ результаты удовлетворительно согласуются с приведенными на рис. 3.22 рекомендациями других авторов. Имеющиеся отличия можно объяснить неизбежными ошибками при проведении экспериментов и влиянием различий в условиях движения потока на выходе. Например, у некоторых моделей (других авторов) вытекающий поток свободно падал в нижний бьеф, а у других -имелось отводящее русло различной формы, по-разному сопрягавшееся с выходным отверстием (дно в дно или отводящее русло располагалось ниже).
Таким образом, результаты выполненных экспериментальных исследований, а также данные других авторов свидетельствуют о необходимости при расчете пропускной способности трубчатых сооружений с гладкими и гофрированными трубами, работающих в напорном режиме с неподтопленным выходным отверстием и в частичнонапорном режиме принимать коэффициент η переменным в зависимости от параметра расхода 0. Без большой погрешности при любой шероховатости стенок водопропускной трубы при θ ≤ 1,4 коэффициент η можно рассчитать по зависимости
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

а при θ ≥ 1,4 - принимать равным η = 0,5.
Предлагаемая расчетная зависимость (3.16) близка к рекомендуемой ЦНИИС зависимости (3.16), но более точно учитывает полученные экспериментальные данные. Кроме того, определять коэффициент η по зависимости (3.17) можно не только для МГТ с гладким лотком по дну или без него, но и для гладких бетонных труб.
Проведенные в МАДИ экспериментальные гидравлические исследования модели спиральновитой гофрированной трубы с гофром 125x25 мм показали, что предлагаемая расчетная зависимость (3.17) подходит и для СМГТ.
Значения коэффициентов сопротивлений на вход ξвх принимаются по справочным данным в зависимости от типа входного оголовка: раструбный - ξвх = 0,35; без оголовка со срезом перпендикулярно оси трубы - ξвх = 0,7; портальная стенка - ξвх = 0,3; без оголовка со срезом, параллельным откосу - ξвх = 1,1.
Для расчета пропускной способности гофрированной трубы при частично-напорном режиме по формулам (3.14) и (3.15) следует установить длину концевого безнапорного участка lк. В существующих рекомендациях приводится график зависимости lк = f(θ), построенный по результатам экспериментальных исследований МГТ, выполненных ЦНИИС. График построен по результатам наблюдений за длиной концевого участка со стороны выходного отверстия трубы, поскольку выполненная из жести модель гофрированной трубы была непрозрачной. Таким способом можно было измерить достаточно малую длину концевого безнапорного участка. Точность измерений была невысокой.
Учитывая все это, а также то, что стенки исследованных в МАДИ моделей МГК выполнялись из стеклопластика и позволяли с внешней стороны точно регистрировать длину концевого безнапорного участка, были проведены исследования длины при частично-напорном режиме. Исследовались модели МГТ с гладким лотком по дну при уклонах iT = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096.
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

Длина концевого безнапорного участка lк зависит от величины пропускаемого расхода и с его увеличением lк уменьшается. Над входным оголовком обычно формируется воронка, через вихревой шнур которой в трубу поступает воздух, что мало влияет на lк. Поступление воздуха не приводит к формированию в трубе переходного режима. Воздух поступает в нижнюю треть входного сечения трубы и в виде пузырьков перемещается по ней, постепенно поднимаясь к своду трубы. Количество поступающего воздуха небольшое и поэтому уменьшение пропускной способности МГТ за счет замещения воды воздухом также незначительно и практически не влияет на их пропускную способность и устойчивость частично-напорного режима.
Результаты экспериментов, приведённые на рис. 3.23, показали, что для каждой из исследованных моделей с увеличением параметра расхода θ наблюдается однотипный характер уменьшения относительной длины lк/dр концевого безнапорного участка.
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

Изменение величины lк/dp происходит по кривой, имеющей два характерных участка. На первом участке при малых значениях 9, соответствующих начальной фазе частично-напорного режима, происходит существенное уменьшение относительной длины lк/dp даже при небольшом увеличении параметра θ. При достижении параметром расхода некоторого граничного значения θгр относительная длина концевого безнапорного участка уменьшается до lк/dр ≈ 1,3 и начинается второй участок. На нем с увеличением θ происходит плавное уменьшение значений lк/dр. Напорное движение водного потока по всей длине исследованных моделей наступает при практически одинаковом параметре расхода θнап ≈ 1.3. Все модели с различными уклонами имеют свои характерные первые участки, а вот вторые участки у них при одинаковых параметрах расхода практически совпадают. По результатам экспериментов построен график, позволяющий установить θгр в зависимости от уклона iT МГТ (рис. 3.24).
В диапазоне применяемых в РФ уклонов МГТ (iT ≤ 0,05) с достаточной для практических расчетов точностью значение θгр можно определить по зависимости
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

При устройстве МГТ с уклонами iT ≥ 0,05 значения θrp следует находить по найденной графической зависимости (рис. 3.24).
Учитывая малую длину концевого безнапорного участка МГТ при θгр (lк/dр ≈ 1,3), допустимо при θ ≥ θгр при расчете пропускной способности трубы, работающей в частично-напорном режиме, в качестве расчетной длины трубы принимать полную её длину, т.е. длиной концевого безнапорного участка пренебрегать. Ошибка в расчетах при этом небольшая и идет в запас расчета.
На рис. 3.25 приведены результаты исследований длины концевого безнапорного участка для спиральновитой гофрированной трубы.
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

Экспериментальные точки на графике расположились по трем кривым, каждая из которых объединяет точки одного из исследованных уклонов трубы. У каждой кривой точки располагаются по двум участкам, подобно тому, как они расположились на рис. 3.23 для исследованной модели МГТ с гладким лотком по дну. Хотя общий вид графиков одинаковый, но экспериментальные точки на них при одинаковых уклонах не совпадают. Так, исследованным моделям со спиральным гофром при уклонах трубы iT = 0,01; 0,03 и 0,05 соответствуют θгр ≈ 0,66; 0,69 и 0,72 при относительной длине концевого безнапорного участка lк/dp ≈ 1,79; 1,67 и 1,55. Они больше, чем у МГТ с гладким лотком по дну, для которой θгр соответствует lк/dр ≈ 1,3. Исследованным уклонам модели СМГТ iT = 0,01; 0,03 и 0,05 соответствует заметно меньшее значение параметра θгр, чем у модели с нормальным гофром и гладким лотком по дну при тех же уклонах θгр = 0,8; 0,85 и 0,9 (см. рис. 3.24).
Зависимость θгр = f(iT) для СМГТ в исследованном диапазоне изменения уклонов (0,01 ≤ iT ≤ 0,05) описывается линейной зависимостью
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

При θ ≥ θгр относительная длина концевого безнапорного участка вне зависимости от уклона трубы и типа входного оголовка может быть установлена по зависимости (линия А на рис. 3.25)
Частично-напорный и напорный режимы в гофрированных трубах

При θ ≤ θгр относительную длину lк/d следует устанавливать по кривым «В» (рис. 3.25) в зависимости от уклона трубы iT и параметра расхода θ.
Надо обратить внимание на то, что исследованные модели СМГТ имели различные типы входного оголовка. При iT = 0,05 тип входного оголовка не повлиял на длину концевого безнапорного участка, т.е. для различных исследованных условий входа величина lк/dp оказалась практически одинаковой. При входах без оголовка и с портальной стенкой с уменьшением уклона до iT = 0,03 и 0,01 уменьшилась и величина lк/dр. Причем для обоих оголовков длина концевого безнапорного участка практически одинаковая. Однако для раструбного входного оголовка уменьшение уклона трубы с iT = 0,05 до iT = 0,03 не повлияло на изменение lк/dp.