Глубина на выходе из гофрированных труб

25.05.2016

Расчет нижнего бьефа дорожных водопропускных труб, обычно работающих с неподтопленным выходом, проводится по средней скорости в выходном сечении трубы, которая в свою очередь определяется глубиной потока. Глубина в выходном отверстии (hвых) зависит от пропускаемого расхода, уклона трубы, режима движения, а при коротких трубах и от входных условий.
При уклоне трубы, меньшем, чем критический уклон (iT ≤ iк), глубину на выходе определяют в долях от критической глубины (hвых/hк = K3). Для различных типов входного оголовка в работе рекомендуется принимать K3 = 0,75...0,85, а в работе - 0,72. Если уклон трубы превышает критический (iT ≥ iк), то глубина на выходе принимается в долях от нормальной глубины (hвых/h0 = K4). В работе предлагается принимать K4 = K3, а в работе - K4 = 0,8.
Экспериментальные исследования прямоугольных и квадратных гладкостенных труб показали, что коэффициент K4 зависит от расхода (уменьшаясь с его увеличением) и уклона трубы. В проведенных исследованиях величина коэффициента K4 для большинства исследованных моделей оказалась больше единицы и достигала значения 1,6 при iT = 0,15. Эти данные противоречат существующим представлениям и могут быть объяснены неточным определением нормальной глубины бурного потока, поскольку с увеличением iT гидравлические сопротивления по длине увеличиваются. Авторы представили результаты своих исследований также через коэффициент K3, который оказался меньше единицы, а для безнапорного режима и не зависящим от расхода. Поэтому они предлагают устанавливать глубину на выходе с помощью коэффициента K3 при любых уклонах трубы. Такой же подход используется в работе для круглых труб.
Исследования Ч. Нейла металлических гофрированных труб (МГТ) при уклонах, близких к критическому уклону (0 ≤ iT ≤ 0,03), показали, что K3 = 1. Следует отметить, что в этих экспериментах глубина измерялась с помощью пьезометра на некотором удалении от выходного отверстия, поэтому в выходном отверстии глубина должна быть меньше (K3 ≤ 1).
Как для гладкостенных труб, так и для МГТ в США рекомендуется глубину на выходе при iT ≥ iк принимать равной нормальной глубине, т.е. K4 = 1, а при iT ≤ iк значение - K3 = 1.
Экспериментальные исследования МГТ с гладким лотком по дну, выполненные в МАДИ, показали, что относительная глубина на выходе из трубы hвых/hк увеличивается с увеличением параметра расхода θ. Изменение относительной длины трубы в исследованном диапазоне iT/dp = 22...28 при iT = 0,01 и 0,031 не оказывает заметного влияния на величину hвых/hк. Без большой погрешности можно считать, что при каждом из исследованных уклонов трубы iT зависимость hвых/hк от θ линейная:
Глубина на выходе из гофрированных труб

Исследования модели МГТ без гладкого лотка по дну при iT = 0,096 позволили установить, что относительная глубина на выходе hвых/hк в диапазоне изменения параметра 0 = 0,3...0,93 может быть определена по зависимости
Глубина на выходе из гофрированных труб

Сопоставление значений относительных глубин на выходе hвых/hк из МГТ с iT = 0,096, имеющей гладкий лоток по дну, и без лотка показывает, что на выходе из последней трубы значение глубины больше. Это объясняется большими сопротивлениями в МГТ без гладкого лотка по дну. Поэтому существующий в настоящее время подход, согласно которому значения глубин на выходе из МГТ с гладким лотком по дну и без него принимаются одинаковыми, некорректен.
Выполненные в МАДИ модельные исследования свидетельствуют о неточности зарубежных рекомендаций, которые советуют принимать K3 = K4 = 1. Результаты исследований показывают, что у моделей с iT = 0,01 при полунапорном режиме работы при θ ≥ 0,46 уклон трубы меньше критического уклона iT ≤ iк. Поэтому глубина на выходе должна быть близка к критической глубине. Однако, согласно зависимости (3.30), в диапазоне θ = 0,46...0,85 относительная глубина на выходе изменяется в пределах hвых/hк = 0,71...0,75, т.е. её значение заметно меньше единицы. Уклоны моделей МГТ с гладким лотком по дну, исследованных в МАДИ, iT = 0,031; 0,05 и 0,096 при безнапорном и полунапорном режимах превышали величину критического уклона. Однако глубина на выходе у всех моделей была меньше нормальной глубины. Экспериментальные данные одной из исследованных моделей приведены на рис. 3.26.
В диапазоне изменения θ = 0,1...0,8 относительную глубину на выходе hвых/h0 можно считать постоянной и одинаковой для рассматриваемых уклонов трубы и равной hвых/h0 = 0,85.
Устанавливать глубину на выходе из гофрированной трубы с гладким лотком по дну при iT > iк по h0 удобнее, чем по hк, поскольку отношение hвых/h0 не меняется с изменением θ, в отличие от hвых/hк. Однако точно определить h0 сложнее, чем hк, поскольку при расчете h0 следует учитывать зависимость коэффициента шероховатости n при безнапорном движении водного потока от наполнения трубы и её уклона.
Глубина на выходе из гофрированных труб

Эксперименты на модели спиральновитой металлической гофрированной трубы с исследованными входами (без оголовка, портальным и раструбным) показали, что относительные глубины на выходе из неё можно устанавливать по коэффициенту K3, величина которого меняется с изменением параметра расхода θ. Структурно характер зависимости hвых/hк от параметра θ такой же, как и у МГТ с гладким лотком по дну: см. зависимости (3.30) - (3.34). В исследованном диапазоне изменения уклонов iT = 0,03...0,05 на величину коэффициента K3 = hвых/hк оказывает небольшое влияние величина уклона и типа входного оголовка.
При уклоне СМГТ iT = 0,03 относительную глубину на выходе hвых/hк для исследованных типов входных оголовков можно установить по следующим зависимостям:
Глубина на выходе из гофрированных труб

При уклоне СМГТ iT = 0,05 относительную глубину на выходе hвых/hк для тех же типов входных оголовков можно устанавливать по зависимостям:
Глубина на выходе из гофрированных труб
Глубина на выходе из гофрированных труб

Приведенные зависимости справедливы при θ ≥ 0,1 для всего диапазона существования безнапорного и полунапорного режимов.
Для всех исследованных типов входных оголовков увеличение уклона с iT = 0,03 до iT = 0,05 приводит к незначительному уменьшению отношения hвых/hк. Расчеты показывают, что при iT = 0,03 значения hвых/hк, соответствующие θ = 0,29, для исследованных типов входных оголовков (без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, портальном и раструбном) соответственно равны: 0,656; 0,656 и 0,649, т.е. практически одинаковые. Если же iT = 0,05, то величины hвых/hк, соответствующие θ = 0,29, для тех же конструктивных схем входа соответственно равны: 0,643; 0,626 и 0,628. Значения тоже достаточно близки между собой, но величины их меньше, чем при iT = 0,03 (на 2,0, 4,6 и 3,2%). Влияние типа входного оголовка можно считать незначительным и определять hвых/hк при iT = 0,03 по зависимости (3.37), а при iT = 0,05 по зависимости (3.39), при которых значения глубины на выходе минимальные.
Выполняемые в МАДИ исследования свидетельствуют о том, что при iT ≥ iк глубина на выходе из СМГТ может быть установлена по коэффициенту K4 = hвых/h0. На рис. 3.27 показан график зависимости hвых/h0 = f(θ) для одной из исследованных моделей с iT = 0,05.
Глубина на выходе из гофрированных труб

Как можно видеть, при θ ≥ 0,15 во всем диапазоне существования безнапорного и полунапорного режимов (θ = 0,15...0,84), при которых в трубе наблюдается безнапорное движение водного потока, величину коэффициента K4 = hвых/h0 можно считать практически постоянной и равной K4 = 0,82. Исследования также показали, что тип входного оголовка не оказывает заметного влияния на величину коэффициента K4, т.е. для безоголовочного входа и портального оголовка K4 = 0,82 при iT = 0,05, как и для раструбного входного оголовка.
На рис. 3.28 показан график зависимости hвых/h0 = f(θ) для исследованной модели СМГТ с раструбным входным оголовком при iT = 0,03. При безнапорном движении водного потока в трубе и θ ≥ 0,15 коэффициент K2 можно считать постоянным и равным K2 = 0,78.
Глубина на выходе из гофрированных труб

У моделей СМГТ с портальным и безоголовочным входами при iT = 0,03 величину коэффициента K4 при θ ≥ 0,15 можно принимать такой же, как и у модели СМГТ с раструбным оголовком (K4 = 0,78). Отметим, что у всех исследованных моделей СМГТ уклон трубы (iT = 0,03 и iT = 0,05) превышал критический уклон iT ≥ iк во всем диапазоне существования безнапорного движения в трубе (см. рис. 3.15 и 3.16).
Таким образом, при безнапорном движении водного потока в СМГТ при параметрах расхода θ >0,15 величина коэффициента K4 = hвых/h0 ≈ 0,78 при iT = 0,03 и K4 = hвых/h0 ≈ 0,82 при iT = 0,05. Как видим, с уменьшением уклона СМГТ относительная глубина на выходе (hвых/h0) тоже уменьшается, а сама глубина увеличивается (см. рассмотренное выше сопоставление глубин на выходе при установлении их по коэффициенту K3). Для точного установления глубины на выходе из СМГТ по коэффициенту K4 следует учитывать зависимость коэффициента шероховатости от уклона трубы и её наполнения, что усложняет выполнение расчетов. Поэтому и для МГТ с гладким лотком по дну и для СМГТ расчет hвых по коэффициенту K4 более трудоемок и менее точен, чем по коэффициенту K3.