Глубина на входе в гофрированную трубу

09.03.2017

В нормативных Рекомендациях по проектированию МГТ в качестве расчетного режима для труб на постоянно действующих автодорогах принимается безнапорный режим. При этом должны соблюдаться определенные требования к потоку в гофрированной трубе. Между поверхностью потока в трубе диаметром до 3,0 м и шелыгой её свода должен сохраняться зазор не менее 1/4 отверстия трубы в свету, а в трубах диаметром более 3,0 м - не менее 0,75 м. Кроме того, ограничивается заполнение входного и выходного сечений МГТ при пропуске как расчетного, так и наибольшего расходов в безнапорном режиме, которое не должно превышать 0,75 и 0,9 от высоты МГТ соответственно.
Такие ограничения объясняются желанием сохранить безнапорный режим работы МГТ и в том случае, если поступающий к сооружению расход превысит расчетный. При работе МГТ с затопленным входным оголовком в полунапорном или напорном режимах, как считают составители рекомендаций, в трубе может сформироваться неблагоприятный переходный гидравлический режим. Как показали проведенные в МАДИ гидравлические исследования, такие опасения не подтверждаются. Тем не менее, существующие ограничения по заполнению МГТ на входе сохраняются. Поэтому при проведении экспериментальных гидравлических исследований вышеописанных моделей МГТ с гладким лотком по дну и СМГТ изучались глубины на входе в трубу.
Для каждой из исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну и СМГТ с различными типами входного оголовка строились графики изменения относительной глубины на входе hвх/dp от параметра расхода ?. Анализ графиков показал, что величина hвх/dp увеличивается с увеличением значений ? на всех исследованных моделях. Изменение длины МГТ в исследованном диапазоне относительных длин lТ/dp = 22...28 не оказывает влияния на относительную глубину потока на входе в трубу, поскольку все исследованные модели работали при безнапорном режиме по типу «коротких». Небольшое влияние на значения hвх/dр оказывает величина уклона трубы iT. С увеличением iT значение hвх/dр немного уменьшается, что объясняется изменением условий входа в трубу.
Экспериментальные точки всех исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну с безоголовочным входом со срезом, перпендикулярным оси трубы, при параметрах расхода ? ? 0,1 описываются линейной зависимостью

Для моделей с уклонами трубы iT = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 коэффициенты K1 и K2 соответственно равны: K1 = 0,24; 0,23; 0,23; 0,22; K2 = 1,65; 1,64; 1,62; 1,6. Влияние уклона трубы на коэффициенты K1 и K2 с достаточной точностью можно рассчитать по следующими зависимостям:

Как отмечалось выше, согласно существующим рекомендациям, вне зависимости от уклона расчетный и наибольший расходы пропускаются гофрированной трубой без входного оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, при наполнениях на входе hвх/dр = 0,75 и 0,9, которым соответствуют параметры расхода ? = 0,265 и 0,347. Расчет по зависимостям (3.21), (3.22) и (3.23) для исследованных в МАДИ уклонов гофрированной трубы без входного оголовка с гладким лотком по дну с iT = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096, при hвх/dp = 0,75 дает соответственно значения ? = 0,309; 0,314; 0,32 и 0,344, а при hвх/dp = 0,9 - ? = 0,4; 0,405; 0,412 и 0,425.
При всех уклонах МГТ с гладким лотком по дну заполнениям на входе hвх/dp = 0,75 и 0,9 соответствуют заметно большие параметры расхода ?, чем рекомендуются по действующим нормам. Минимальное увеличение величины ? наблюдается при минимальном уклоне трубы iT = 0,01 и составляет 16,6% при hвх/dp = 0,75 и 15,3% при hвх/dp = 0,9. При больших уклонах трубы значение 0 увеличивается более существенно. Так, при максимальном рекомендуемом уклоне гофрированной трубы iT = 0,05 увеличение составляет 20,8 и 18,7% соответственно.
Относительные глубины на входе у исследованной модели СМГТ при уклонах iT = 0,03 и 0,05 с оголовками раструбным, портальным и безоголовочным входом, со срезом, перпендикулярным оси трубы, описываются расчетной зависимостью (3.21).
У безоголовочной СМГТ относительную глубину на входе можно определить по следующим зависимостям:

Как можно видеть, с увеличением уклона глубина на входе немного уменьшается, но совсем незначительно. Относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 по уравнениям (3.24) и (3.25) соответствуют параметры расхода ? = 0,283 и 0,288. Расхождение небольшое и составляет - 1,74%.
Выполненный расчет при hвх/dp = 0,9 по уравнениям (3.24) и (3.25) дает значения параметров ? = 0,364 и 0,37 соответственно. Расхождение здесь чуть меньше и составляет 1,62%.
Без большой погрешности в исследованном диапазоне уклонов iT = 0,03...0,05 относительную глубину на входе СМГТ с безоголовочным входом можно рассчитать по зависимости (3.24). Относительную глубину на входе СМГТ с портальным входным оголовком можно рассчитать по зависимостям:

Относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 по уравнениям (3.26) и (3.27) соответствуют параметры расхода ? = 0,294 и 0,286, а относительной глубине hвх/dр = 0,9 - ? = 0,378 и 0,371 соответственно. Как видим, расхождение небольшое и при hвх/dр = 0,75 составляет 2,72%, при hвх/dp = 0,9 - 1,85%.
При уклоне трубы iT = 0,03 глубина на входе при портальном оголовке немного меньше, чем при безоголовочном входе, а при iT = 0,05 значения глубин близки. Без большой погрешности в исследованном диапазоне уклонов iT = 0,03...0,05 относительную глубину на входе СМГТ с портальным входным оголовком можно рассчитать по зависимости (3.27).
При раструбном входном оголовке относительную глубину на входе можно рассчитать по зависимостям:

Из анализа уравнений (3.28) и (3.29) следует, что относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 соответствуют параметры расхода ? = 0,35 и 0,34, а относительной глубине hвх/dр = 0,9 - ? = 0,455 и 0,449 соответственно. Расхождение небольшое и при hвх/dр = 0,75 составляет 2,86%, при hвх/dp = 0,9...1,32%. Без большой погрешности в исследованном диапазоне уклонов iT = 0,03...0,05 относительную глубину на входе в СМГТ с раструбным входным оголовком можно рассчитать по зависимости (3.29).
Сопоставление глубин на входе в СМГТ с исследованными типами входного оголовка показывает, что при раструбном входном оголовке они минимальные, а у безоголовочного входа и портального оголовка их значения близки. Таким образом, относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 для исследованной модели спиральновитой металлической гофрированной трубы при уклонах iT = 0,03...0,05 с разными типами оформления входного участка (раструбный, портальный и безоголовочный вход со срезом, перпендикулярным оси трубы) соответствуют следующие параметры расхода: ? = 0,34; 0,29 и 0,28.
По рекомендации ЦНИИС относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 МГТ с iT = 0,03...0,05 с раструбным входным оголовком и безоголовочным входом со срезом, перпендикулярным оси трубы, соответствуют параметры расхода ? = 0,31 и 0,265. Это свидетельствует о том, что глубины на входе исследованной модели спиральновитой гофрированной трубы меньше, чем у гофрированной трубы с нормальным гофром.
По этим же рекомендациям относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 для гладкой трубы с раструбным входным оголовком и безоголовочным входом соответствуют параметры расхода ? = 0,305; 0,275. Для исследованной же в МАДИ МГТ с гладким лотком по дну с безоголовочным входом при iT = 0,03...0,05 относительной глубине на входе hвх/dp = 0,75 соответствует параметр ? = 0,314...0,32.
В табл. 3.6 приводятся параметры расхода ? для круглых труб различного вида, при которых у них на входе формируются расчетные заполнения hвх/dp = 0,75 и 0,9 при работе в безнапорном режиме.

Анализ приведенных в табл. 3.6 данных свидетельствует о том, что для одинаковых типов входного оголовка минимальные наполнения наблюдаются на входе в МГТ с гладким лотком по дну. У безоголовочной гладкостенной трубы, а также трубы, выполненной из гофрированного металла с нормальной и спиральной формами гофра, значения глубин на входе близки.
При раструбном входном оголовке наименьшая глубина на входе наблюдается у спиральновитой гофрированной трубы, а у МГТ и гладкой трубы они примерно одинаковые.
При портальном входном оголовке гладкая труба и гофрированная труба со спиральным гофром имеют близкие значения глубин на входе.
У металлической гофрированной трубы со спиральной формой гофра максимальная глубина наблюдается на входе в трубу при безоголовочном оформлении входного сечения, несколько меньше - при устройстве портального входного оголовка, а наименьшая глубина зафиксирована у раструбного входного оголовка.