Полунапорный режим в гофрированных трубах

При полунапорном режиме входной оголовок водопропускной трубы затоплен, но движение водного потока в трубе безнапорное. Труба работает по типу истечения потока из-под щита. В гладких водопропускных трубах движение водного потока неравномерное с образованием косых и стоячих волн на поверхности. В гофрированных водопропускных трубах как с гладким лотком по дну, так и без него свободная поверхность потока воды возмущенная и волнообразная, но вследствие повышенной шероховатости гофра размеры косых и стоячих волн небольшие (рис. 3.18).

Смена безнапорного режима полунапорным режимом происходит плавно без скачкообразного изменения напора в верхнем бьефе или пропускаемого расхода как в гладких, так и в гофрированных трубах (рис. 3.19).

Расчет пропускной способности гладкой и гофрированной дорожной водопропускной трубы выполняется по формуле

где ?0 - коэффициент расхода, учитывающий сопротивления, испытываемые потоком при входе в водопропускную трубу, назначаемый в зависимости от типа входного оголовка; ? - площадь сечения, равная 0,785d2 для круглой трубы; H0 - гидродинамический напор; ? - коэффициент, определяемый типом входного оголовка. Скоростной напор перед водопропускной трубой небольшой и его величиной обычно пренебрегают, подставляя в формулу (3.11) вместо H0 гидростатический напор Н.
Величина коэффициента ? больше 0,5, но меньше 1,0 и определяется по данным экспериментальных исследований. Для этого результаты экспериментов, по предложению Н.П. Розанова, наносятся на график зависимости относительного напора H/d от возведенного во вторую степень параметра расхода ?2. Опытные точки располагаются вдоль прямой, пересечение которой с вертикальной осью H/d определяет величину коэффициента ?.

В России справедливо считается, что при полунапорном режиме пропускная способность гладкой водопропускной трубы определяется только входными условиями и не зависит ни от длины трубы, ни от её шероховатости, т.е. она работает по типу «короткой». Такой же подход принят и за рубежом. По терминологии, принятой в США, на пропускную способность трубы при полунапорном режиме влияют только входные условия (inlet control), причем не только гладкостенных, но и труб из гофрированного металла. Причем за рубежом считается, что при полунапорном режиме труба работает по типу отверстия в тонкой стенке (orifice). Такой подход не совсем точен, поскольку напор H при этом определяется относительно центра отверстия и поэтому коэффициент ? = 0,5. Как свидетельствуют результаты экспериментальных исследований гладких труб, а также гофрированных труб с нормальной и со спиральной формой гофра (последние будут приведены ниже) величина коэффициента ? существенно больше 0,5.
В табл. 3.4 приводятся значения коэффициентов ? и ?0, рекомендуемые ЦНИИС для гладких и гофрированных труб без гладкого лотка по дну с различными типами входного оголовка и полученные в результате экспериментальных исследований в МАДИ.
На основе приведенных в табл. 3.4 данных для МГТ без гладкого лотка по дну были приняты коэффициенты ? и ?0. Для входа без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, эксперименты проводились с трубами различного уклона, которые показали небольшое увеличение значений коэффициента расхода с увеличением уклона. В расчетах это увеличение не учитывается, что идет в запас расчета, и рекомендуется принимать при всех уклонах ? = 0,63 и ?0 = 0,56.
Модельные экспериментальные исследования МГТ с гладким лотком по дну, выполненные в МАДИ, показали, что при уклонах трубы iT ? 0,031 во всем диапазоне существования полунапорного режима величина iT превышает критический уклон iK и поэтому труба работает по типу «короткой».
При iT = 0,01 затопление входного оголовка hВХ/dр = 1,0 происходит при ? = 0,46 и iK = 0,0123. Во время эксперимента через полупрозрачные стенки модели гофрированной трубы за сжатым сечением отчетливо просматривалась кривая подпора, в конце которой формировался гидравлический прыжок. Во всем диапазоне относительных напоров H/dр перед трубой, при которых существовал полунапорный режим, при iT = 0,01 гидравлический прыжок в трубе занимал отогнанное положение, поэтому труба работала по типу «короткой». Об этом же свидетельствует и постоянство значений коэффициентов ?0 и ? во всём диапазоне существования полунапорного режима.
При iT = 0,031 коэффициенты ? и ?0, полученные при исследовании труб различной относительной длины iT/dp = 22...28, имеют одинаковые значения ? = 0,69 и ?0 = 0,72, что свидетельствует о работе трубы при этом уклоне по типу «короткой».
При уклоне трубы iT = 0,01 значения коэффициентов несколько различаются: при iTIdp ~ 22 они соответственно равны - ? = 0,646, ?0 = 0,66, а при iTIdp = 28 - ? = 0,62, ?0 = 0,64. Это свидетельствует о том, что при iT = 0,01 на пропускную способность трубы всё же оказывают некоторое влияние сопротивления по длине трубы. Однако влияние это небольшое и поэтому значения коэффициентов ? и ?0 можно считать не зависимыми от длины трубы при iT = 0,01 и принимать их равными полученным экспериментальным значениям: при iT/dp = 28, т.е. соответственно ? = 0,62 и ?0 = 0,64.
При уклонах трубы iT = 0,05 и 0,096 коэффициенты ? и ?0 соответственно равны 0,662; 0,71 и 0,66; 0,715, т.е. значения их практически одинаковы. Сравнивая их со значениями, полученными при iT = 0,031 (соответственно ? = 0,69 и ?0 = 0,72), видим, что они хотя и близки, но всё же, несколько различаются. Причём значения коэффициента ? - в большей степени. Это свидетельствует о том, что изменение уклона трубы приводит к изменениям условий входа потока в трубу, что и сказывается на величинах коэффициентов ? и ?0.
Учитывая, что эти изменения небольшие, можно считать при iT ? 0,031 значения этих коэффициентов не зависящими от уклона трубы и принимать равными ? = 0,66 и ?0 = 0,71. При iT ? 0,031 значения коэффициентов можно принимать, как и при уклоне трубы iT = 0,01, т.е. равными ? = 0,62 и ?0 = 0,64. Именно эти значения и приведены в табл. 3.3.
Исследованные модели СМГТ без гладкого лотка по дну при уклонах iT = 0,03 и iT = 0,05 с различными типами входного оголовка показали, что во всем диапазоне существования полунапорного режима все модели работали по типу «коротких». Об этом свидетельствовал регистрировавшийся визуально характер движения водного потока в трубе у всех моделей. За сжатым сечением по всей длине трубы поток находился в бурном состоянии, а движение потока было практически равномерным. Только при расходах, близких к расходу, при котором происходила «зарядка» трубы, за сжатым сечение формировалась кривая подпора. Гидравлический прыжок в конце кривой подпора не формировался и труба работала по типу «короткой». Об этом же свидетельствовали и выполненные расчеты критического уклона. У всех исследованных моделей перед «зарядкой» уклон трубы превышал величину критического уклона (результаты расчетов iK для портального оголовка приведены на рис. 3.15 и 3.16).
Анализ и сопоставление полученных коэффициентов ? и ?0 для каждого из исследованных оголовков при уклонах iT = 0,03 и iT = 0,05 свидетельствует о том, что с увеличением уклона происходит небольшое увеличение пропускной способности. Учитывая, что влияние уклона на пропускную способность небольшое, его можно не учитывать, как и поступили в ЦНИИС при исследовании МГТ без гладкого лотка по дну, что идет в запас расчета. В таком случае для СМГТ с различными входными оголовками с гофром 125x25 мм при работе в полунапорном режиме следует принимать следующие коэффициенты: ? = 0,73 и ?0 = 0,65 (вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы), ? = 0,72 и ?0 = 0,67 (портальная стенка), ? = 0,7 и ?0 = 0,68 (раструбный).