УДК 532(075 - Московский государственный университет

УДК 532(075.8)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ НАПОРНОГО ВОДОВОДА НА ВЕЛИЧИНУ МЕСТНОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ УЗЛА
В.Л. Снежко – канд. техн. наук, доцент; М.С. Палиивец – аспирант
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В напорных водоводах пропускная способность связана с величиной потерь на
трение по длине и потерь на местных сопротивлениях, которые часто расположены на
расстоянии, меньшем, чем зона стабилизации потока, и представляют собой узлы. В
случае взаимного влияния местных сопротивлений авторами получены зависимости как
отдельно стоящих местных сопротивлений, так и узлов. Для узлов, где условие
независимого суммирования величин отдельных местных сопротивлений не выполняется,
был проведен ряд экспериментальных исследований для выяснения коэффициента
взаимного влияния  двух местных сопротивлений в случае узла задвижка-ниша при
различной степени закрытия задвижки а/d.
In pressure head water waters throughput is connected with size of losses on a friction on
length and losses on local resistance which are often located on distance, smaller, than a zone of
stabilisation of a stream, and represent knots. In case of mutual influence of local resistance by
authors dependences both separate local resistance, and knots are received. For knots where the
condition of independent summation of sizes of separate local resistance is not carried out, a
number of experimental researches for finding-out of factor of mutual influence two local
resistance in case of knot a latch-niche has been spent at various degree of closing of a latch a/d.
Одним их наиболее распространенных типов природно-технических систем
являются водохранилищные гидроузлы, число которых по России в целом составляет
более 30 тысяч. Сооружения должны обладать достаточными уровнями экологической и
технической безопасности, которые устанавливаются на стадии проектирования. Согласно
Закону РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» № 117-ФЗ от 21 июля 1997 г.
на все водохранилищные гидротехнические сооружения должны быть разработаны
декларации безопасности.
Общая безопасность гидроузла включает: гидрологическую, гидравлическую,
конструктивную, фильтрационную и социально-демографическую безопасность. Анализ
аварийных ситуаций показал, что около 30 % катастрофических разрушений происходит
по причинам, связанным с недостаточным уровнем гидравлической безопасности.
Основными
количественными
и
качественными
показателями
уровня
гидравлической безопасности напорных водоводов являются:
пропускная способность, определяемая коэффициентом расхода;
режимы движения водного потока в водоводе, из которых наиболее безопасным
является напорный;
зоны локализации пониженного и повышенного давления по трассе.
Основной задачей проектирования водоводов является выбор оптимальных
конструктивных параметров на основании критериев стоимости и надежности.
Пропускная способность напорного водовода связана с величиной потерь на трение
по длине и потерь на местных сопротивлениях, которые часто расположены на
расстоянии, меньшем, чем зона стабилизации потока, и представляют собой узлы. Оба
вида потерь зависят от условий течения воды, характеризующихся числом Рейнольдса
(рис. 1).
При турбулентном движении с достаточно
высокими числами Рейнольдса коэффициенты
местных сопротивлений м представляют собой
функции только геометрических параметров потока
и силы вязкости не оказывают влияния на
величины этих коэффициентов. По рекомендациям
различных исследователей это происходит при
значениях
Re = 105, но эта величина
может быть смещена как в меньшую, так и в
большую сторону в зависимости от вида местного
сопротивления.
Коэффициенты местных сопротивлений м в
переходной зоне также зависят не только от
геометрических характеристик самого местного
сопротивления, но и от числа Рейнольдса. Для
ориентировочной оценки этого влияния может
Рис.1. Зависимость коэффициентов
служить формула А.Д. Альтшуля
местных сопротивлений от числа
Рейнольдса
А
   кв 
Re
где кв – коэффициент сопротивления в автомодельной по числам Рейнольдса области
течения; А – эмпирический коэффициент.
Прослеживается удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных для
некоторых видов арматуры и весьма сложный вид зависимостей при большой степени
приближения для других. Это было отмечено А.Д. Альтшулем: «Необходимо проведение
дальнейших опытов, особенно в зоне промежуточных чисел Рейнольдса, для более
полного изучения физической картины протекания жидкостей через местные
сопротивления».
А.Д. Альтшуль рекомендует по внезапным расширениям и сужениям водоводов
считать автомодельными течения, начиная с Re  104. Для задвижек и тройников, по
данным Джона и Роули, начало автомодельной зоны соответствует Re = 1,4 104. Для
исследований напорных водоводов гидроэлектростанций А.Г. Кривченко рекомендует с
известной осторожностью считать границей автомодельной зоны Re = 105.
При моделировании гидротехнических водоводов важным является ответ на вопрос:
возможно ли считать числа Рейнольдса Re = 105 достаточными для того, чтобы принимать
значения коэффициентов местных сопротивлений м и сопротивлений характерных узлов
не зависящими от числа Рейнольдса.
С целью определения коэффициентов местных сопротивлений ниши, расположенной
под углом 300 к течению основного потока, и ее сочетания с несимметричной либо
симметричной двухсторонней задвижкой при числах Рейнольдса Re = 1105…3105 были
выполнены экспериментальные исследования в лаборатории гидравлики ФГОУ ВПО
МГУП. Рабочей жидкостью служила пресная вода. Модельная установка представляла
собой напорный водовод (рис. 2) с участком стабилизации за входным устройством более
20d, узлом местных сопротивлений и концевым напорным участком, длина которого
превышала 30d водовода.
Выбор данной комбинации местных
сопротивлений был обусловлен частым
применением
в
гидротехнике
регулирования
подачи
расхода,
при
котором одну из веток напорного водовода
полностью перекрывают (в случае близкого
расположения задвижки к оси тройника
образуется ниша), а подачу второй ветки
регулируют задвижкой.
Исследованию взаимного влияния
предшествовали эксперименты с отдельно
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
установленными элементами, являющимися
составными частями выбранных сочетаний. Было выполнено 12 серий опытов при общем
числе экспериментов более 200, и получен ряд значений коэффициентов местных
сопротивлений: ниши н, узла из несимметричной задвижки ниши н.з.+н, узла из
симметричной задвижки и ниши с.з.+н.
Неотъемлемой частью исследований являлось исключение из суммарных потерь
напора (вычисляемых по створам до и после узла, в которых коэффициент Кориолиса
соответствовал турбулентному течению без возмущений) потерь напора на трение по
длине. Для этого на длинном прямом участке водовода по перепаду пьезометрических
давлений была вычислена зависимость коэффициента Дарси  от числа Рейнольдса (рис.
3). Данные эксперимента лежат в диапазоне значений, определяемых по формуле А.Д.
Альтшуля
  э 68 


 d Re 
где э – эквивалентная шероховатость; d – внутренний диаметр водовода.
0.25
  0.11
Коэффициент гидравлического трения
Коэффициенты местных сопротив лений ниши и узла односторонняя задв ижка-ниша
0,030
2,500
0,025
2,000
0,020
1,500
0,015
1,000
0,010
0,500
0,005
0,000
1,000
0,000
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
1,500
1,750
λэксп
Рис.3. Экспериментальные исследования
коэффициента гидравлического трения
2,000
2,250
2,500
2,750
Re 10^5
ζ0,2
Re 10^5
λ по ф-ле Альтшуля
1,250
3
ζ0,3
ζ0,4
ζн
Рис. 4. Эмпирические кривые коэффициента
местного сопротивления
Проведенные нами исследования показали, что на значения коэффициента местного
сопротивления одиночной ниши, расположенной под углом 300 к течению потока,
начиная с Re = 1,1105 вязкость практически не влияет (рис. 4), и его можно приближенно
принять равным н = 0,04. В справочной литературе коэффициент сопротивления
аналогичной ниши, расположенной под углом 450, равен 0,05. Следовательно, с
уменьшением угла расположения ниши коэффициент ее сопротивления снижается.
Вопросу взаимного влияния местных сопротивлений был посвящен ряд работ
многих авторов: Н.В. Левкоевой и А.С. Петрова (диафрагмы), М.М. Андрияшева
(конфузорно-диффузорные переходы). Исследования И.З. Гольденберга (отводы и
задвижки, колена), В.А. Зюбана (тройники), М.-Р.Умбраса (отводы) также проводились
для чисел Рейнольдса в диапазоне (1,0 - 2,5)105.
Принцип наложения потерь, состоящий в независимом суммировании величин
отдельных местных сопротивлений, приемлем в случае, когда сопротивления,
расположены на расстояниях, превышающих длину их влияния. Для узлов, где это
условие не выполняется, часто используют зависимость
узла = (1 + 2),
(1)
где  – коэффициент взаимного влияния местных сопротивлений; 1, 2 – коэффициенты
местных потерь в первом и втором отдельно стоящих местных сопротивлениях.
При этом подразумевается, что сопротивления работают в квадратичной зоне и
вязкость жидкости не оказывает влияния на их величину, то есть 1 и 2 – константы.
Значения  для различных типов сочетаний приводится в справочной литературе.
На вопрос больше или меньше единицы в общем случае коэффициент взаимного
влияния местных сопротивлений узла  – однозначно ответить нельзя. Часто
сопротивление узла меньше суммы сопротивлений отдельных колен. Сближение
проходных запорных клапанов снижает сопротивление узла на 20%. При малых
относительных расстояниях между диафрагмами  = 0,36 и  = 1,05 при разнесении их на
5-6d. Узел из отводов с клапанами дает  = 0,85, с клинкетами – 1,25. Для тройников при
различных условиях  лежит в пределах 0,6…1,6.
Авторами был проведен ряд экспериментальных исследований для выяснения
коэффициента взаимного влияния  в случае узла задвижка-ниша при различной степени
закрытия задвижки а/d. Максимальная относительная ошибка в определении
коэффициентов местных гидравлических потерь составляла 2%.
Зависимости местных сопротивлений узла, состоящего из несимметричной задвижки
с различными степенями закрытия и ниши, приведены на рис. 4. Прослеживается
незначительный рост местного сопротивления узла, что не противоречит исследованиям
других авторов, выполненным для тройников в том же диапазоне чисел Рейнольдса.
Эффект взаимодействия исследованных местных сопротивлений определялся величиной
деформации потока, вызванной в первом из них, и состоянием потока на входе во второе
местное сопротивление. К деформациям в рассматриваемом случае можно отнести
вторичные течения, перераспределение поля скоростей, наличие зон отрыва.
Суммарный коэффициент сопротивления узла при регулировании несимметричной
задвижкой н.з.+н для различных степеней закрытия можно считать практически
постоянным, не зависящим от числа Рейнольдса и зависящим только от геометрии
местного сопротивления, в частности, степени закрытия задвижки. Для регулирования
симметричной задвижкой справедливы те же выводы. Тем не менее, для полной
корректности выводов о коэффициенте взаимного влияния сопротивлений следует
выполнять расчеты по формуле (1) оперируя величинами, полученными при одинаковых
числах Рейнольдса.
Исследования в данном направлении еще продолжаются авторами.
Выводы
Учет взаимного влияния местных сопротивлений узлов напорных гидротехнических
водоводов позволит не только значительно повысить их гидравлическую безопасность, но
и обеспечить экологическую безопасность в случае трубчатых водовыпусков, подающих
санитарный расход или расход полезных попусков.
Для проектных расчетов и модельных исследований, начиная с Re=105, ниши и узлы
задвижка-ниша можно считать зависящими
от геометрических характеристик и
практически не зависящими от числа Рейнольдса.
Коэффициент местного сопротивления одиночной ниши, расположенной под углом
300 к течению потока, можно принимать равным н. = 0,04.
Для определения коэффициента взаимного влияния  узла задвижка-ниша при
регулировании несимметричной плоской либо симметричной плоской задвижкой
требуется вычислять значения последнего при одинаковых числах Рейнольдса в диапазоне
(1,0 - 2,5)105.
Библиографический список
1. Гольденберг И.З., Умбрасас М.-Р.А. – Связь гидравлических потерь со скоростью
вторичного течения в отводах трубопроводов. – Калининград: КТИРПиХ, 1975,
Вып.58. С. 36-42.
2. Ковалев-Кривоносов П.А., Зюбан В.А., Умбрасас М.-Р.А. Рекомендации по
компоновке отводов и арматуры в составе блоков и агрегатов судовых систем. /Сб.
НТО им. А.Н.Крылова. – Л.: Судостроение, 1978. Вып.285. С . 95-100.
3. Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем
водоснабжения и канализации. – Л.: Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1973. С.44.
4. Петров А.С. Потери на местных сопротивлениях в условиях их взаимного влияния. //
Тез. докл. Всесоюзн. Конф.: Строительство ГЭС в высокогорных условиях. –
Цхалтубо, 1986. С.76.