ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА ВОДЫ

Бенин Д.М.

ORCID: 0000-0003-1265-4071, Кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий ФГБОУ ВО «РГАУ – МСХА им. К.А.Тимирязева»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА ВОДЫ

Аннотация

В статье приводится конструктивное описание гидродинамического стабилизатора расход воды. Конструкция стабилизатора расхода воды рассмотрена подробно по каждому конструктивному элементу стабилизатора: входному участку, камере слияния, диффузору и низовому участку. Даются рекомендации по определению коэффициентов гидравлического сопротивления каждого конструктивного элемента. В статье дается анализ влияния угла и степени расширения пирамидального квадратного диффузора на коэффициент сопротивления  при выходе потока в нижний бьеф.

Ключевые слова: гидравлическое сопротивление, местное сопротивление, низконапорный трубопровод, гидродинамический стабилизатор, диффузор.

Benin D.M.

ORCID: 0000-0003-1265-4071, PhD in Engineering, "Russian state agrarian University - MSHA them. K. A. Timiryazev"

DETERMINING THE COEFFICIENTS OF HYDRAULIC RESISTANCE OF THE VARIOUS ELEMENTS OF THE HYDRODYNAMIC FLOW REGULATOR WATER

Abstract

The article gives a constructive description of the hydrodynamic stabilizer water consumption. water flow regulator design is described in detail on each structural element of the stabilizer: input section, merging chamber, diffuser and downstream portion. The recommendations on the definition of the coefficients of hydraulic resistance of each structural element. The article analyzes the influence of the angle and the degree of expansion of the square pyramidal cone on the resistance coefficient of the output stream to the downstream.

Keywords: hydraulic resistance, local resistance, low-pressure pipeline, hydrodynamic stabilizer, diffuser.

В мире для орошения 17% посевных площадей, поставляющих  более 40% мирового объема сельхозпродукции, используется 70% общего объема отбора пресной воды. В России на 9,2 млн.га мелиорируемых земель производится более 60% овощей, 15% грубых и сочных кормов. По данным федеральной службы государственной статистики использование воды в Российской Федерации в 2013 году составило 53,6 км³, из которых 7,0 км³ приходится на орошение и сельское хозяйство [1].

Учитывая объемы используемой воды, важнейшим вопросов является сокращения затрат на подъем, транспортировку, хранение воды.

Регулирование расхода напорных водопропускных сооружений является одной из важнейших задач рационального водораспределения.

Конструкция стабилизатора расхода воды

Как и в любом сложном механизме, в низконапорном регуляторе расхода воды инженеры при проектировании стараются максимально сократить количество подвижных механических деталей.

Практически все гидроавтоматы  используют энергию потока воды в чистом виде и гидравлические свойства потока при движении. При этом поток формируется одним из следующих способов: изменяется сжатие потока при истечении из-под затвора или щита, инверсия, или деформация падающей струи, инерционные свойства потока.

Исходя их этого, крайне важно подобрать такие параметры регулятора расхода, при работе с которыми будут наблюдаться минимальные потери напора.

Основными элементами гидродинамических водовыпусков, влияющих на значения местных сопротивлений, являются: входной участок, камера слияния, диффузор и низовой участок (рис.1) [3].

Рис. 1 – Вариант конструкции модели стабилизатора расхода: 1 – транзитный водовод; 2 – входной оголовок; 3,4 – напорные стенки; 5 – камера слияния; 6 – отверстие; 7 – диффузор

 

Далее в статье будут разобраны значения местных сопротивлений для каждого конструктивного элемента регулятора расхода.

1. Входной участок

Наиболее гидравлически выгодной формой входного участка является вид усеченной пирамиды, переходящей в круглую трубу постоянного сечения, соединяющуюся в концевой части с транзитным водоводов. Данная форма входа имеет ряд преимуществ: простота в исполнении по причине отсутствия криволинейных поверхностей, отсутствие в камере слияния  острых углов, возможность геодезической привязки  входного оголовка к минимальному уровню верхнего бьефа. Значения коэффициентов сопротивления входа зависят от угла входа (α), диаметра раструба (D_r) и длины входного участка (l) и приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициенты сопротивления раструбного входа без торцевой стенки

2. Камера слияния

Главная часть регулятора расхода, в которой происходит слияние транзитного и управляющего потока. Имеется два режима работы камеры слияния – при отсутствии и при наличии потока управления. Без выполнения функции управления в камере гидравлическое сопротивление очень мало.

Рис.2 – Кривая сопротивлений равнопроходных тройников  при отсутствии     расхода бокового ответвления [5]

Коэффициент сопротивления на прямой проход при отсутствии расхода бокового ответвления равнопроходного тройника (ниши) можно определить по универсальной формуле:

где , a – угол бокового ответвления.

Коэффициент местного сопротивления бокового ответвления можно определить по формуле [6]:

Для водоводов прямоугольного поперечного сечения коэффициент сопротивления для прямого прохода определяется по формуле:

где  Q_б/Q_с и ω_б/ω_с – соотношения сливающихся расходов и площадей соответственно.

Значения коэффициента   можно определить по Таблице 2.

Таблица 2 – Значения коэффициента 

  3. Диффузор и низовой участок

В устройство гидрорегулятора могут применяться диффузоры различной формы сечения: квадратной, прямоугольной, круглой. Наиболее простой формой в бетонном исполнении являются квадратные и прямоугольные.

Прямая проставка перед диффузором создает на входе в него симметричный профиль скорости с максимумом в центре и пониженными скоростями у стенок. Если перед диффузором установить фасонную часть трубопровода или какое-либо препятствие, оно будет создавать на входе в диффузор неравномерный профиль скорости. В случае гидродинамического стабилизатора сопротивление диффузора следует определять как при отсутствии прямой проставки, поскольку и ниша и боковой расход переформируют профиль скоростей на входе в диффузор. При малых углах расширения диффузора g сопротивление диффузора будет возрастать, при больших может быть несколько ниже по сравнению с сопротивлением при равномерном поле скоростей на входе [2].

Структура потока в диффузорах прямоугольного сечения и характер кривых сопротивления в основном такие же, как и для конических диффузоров. Однако на условия течения в диффузорах прямоугольного сечения дополнительно накладывается влияние углов поперечных сечений, что способствует более раннему отрыву потока от стенки. В таких  диффузорах сопротивление получается почти всегда выше, чем в конических. С другой стороны, несколько уменьшается влияние проставки.

Формула коэффициента сопротивления диффузора, полученная методом теории пограничного слоя начального участка (участка с ядром постоянной скорости) диффузоров, работающих в сети, (с учетом потерь на выравнивание потока в прямом выходном участке) имеет вид:

, где Δp- разница перепадов давления; ρ – плотность жидкости; ω₀ - площадь поперечного сечения транзитного водовода

Структура потока в пределах диффузоров и отрывные явления зависят от многих параметров: угол расширения  (для диффузоров с прямолинейными стенками); степень расширения ,  (где ω₁ и ω₂ - площадь входного и выходного сечения диффузора); форма поперечного сечения; форма образующей; толщина пограничного слоя на входе; форма профиля скоростей и степень турбулентности потока на входе; режим течения.

Сопротивление плоских диффузоров (расширение сечения в одной плоскости) при одинаковых углах и степенях расширения заметно меньше, чем в диффузорах с расширением сечения в двух плоскостях, и иногда несколько меньше, чем в конических. При одинаковых углах и степенях расширения плоские диффузоры соответственно длиннее, чем конические и прямоугольные с расширением в двух плоскостях, получается более плавное изменение сечения, меньший градиент давления вдоль потока и слабее отрыв потока от стенок.

При выходе потока из сети кинетическая энергия выходящей струи всегда теряется для этой сети; поэтому в общем случае потери на выходе складываются из внутренних потерь в выходном участке  и потерь динамического давления  струи, выходящей из сети:

Следует отметить, что в пирамидальных диффузорах с увеличением угла расширения сопротивление растет, с ростом степени расширения – снижается. В плоских диффузорах, напротив, больший угол расширения имеет меньшее сопротивление, но по-прежнему с ростом степени расширения сопротивление диффузора, работающего на бьеф, снижается (рис.3).

При проектировании гидродинамического стабилизатора расхода воды следует использовать наиболее простые в конструктивном исполнении формы элементов, учитывая технологию их изготовления из железобетона. Наиболее сложными в строительстве местами являются места сочленения входного оголовка с транзитным трубопроводов, установка управляющей башни и низового участка с диффузором [4].

Рис. 3 – Влияние угла и степени расширения пирамидального квадратного диффузора на коэффициент сопротивления  при выходе потока в нижний бьеф

Так как данное сооружение в своем составе не использует механической регулирующей арматуры, а работает только на гидравлических свойства воды, большое внимание следует уделять значениям гидравлических сопротивлений.

Максимальное уменьшение значений гидравлических сопротивлений можно добиться с помощью правильного подбора геометрических параметров конструктивных элементов.

Список литературы / References

1. Бенин Д.М. Влияние формы элементов проточной части на регулирующую способность гидродинамических стабилизаторов расхода / Д. М. Бенин //Перспективы науки. 2010. №11(13). С. 59-63.
2. Бенин Д.М. Конструктивные особенности гидродинамических стабилизаторов расхода / Д.М. Бенин, В.Л. Снежко // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2010. Вып.9, С.127-128.
3. Бенин Д.М. Гидравлическое обоснование параметров проточных частей стабилизаторов расхода трубчатых водопропускных сооружений. : дис. … канд. техн. наук : 05.23.16. защищена 20.06.11. : утв.27.12.11 / Бенин Дмитрий Михайлович. – М., 2011. – 175с.
4. Снежко В.Л., Бенин Д.М. Численное и физическое моделирование при изучении напорных водопропускных сооружений в гидротехнике / В.Л. Снежко, Д.М. Бенин // Наука и бизнес: пути развития, 2013, №2 (20). С.031-037.
5. Палиивец М.С., Снежко В.Л. К вопросу определения гидравлических сопротивлений тройников / М.С, Палиивец, В.Л. Снежко // Естественные и научные науки., 2010, № 5 (48). С. 592-599.
6. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / Под общ. ред. А.С. Юрьева. Спб.: Мир и семья, 2001. 1154 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Benin D.M. Vlijanie formy jelementov protochnoj chasti na regulirujushhuju sposobnost' gidrodinamicheskih stabilizatorov rashoda [Effect of the elements of a flowing part on the regulatory capacity of the hydrodynamic flow regulators] / D. M. Benin //Perspektivy nauki [Science perspectives]. 2010. №11(13). P. 59-63 [in Russian]
2. Benin D.M. Konstruktivnye osobennosti gidrodinamicheskih stabilizatorov rashoda [Design features of the hydrodynamic flow regulators] / D.M. Benin, V.L. Snezhko // Zhurnal nauchnyh publikacij aspirantov i doktorantov [Scientific publications Journal of graduate and doctoral students]. 2010. №.9, P.127-128 [in Russian]
3. Benin D.M. Gidravlicheskoe obosnovanie parametrov protochnyh chastej stabilizatorov rashoda trubchatyh vodopropusknyh sooruzhenij.[ Hydraulic substantiation of parameters of flowing parts of the tubular stabilizers flow culverts] : dis. … of PhD in Engineering : 05.23.16. defense of the thesis 20.06.11. : approved.27.12.11 / Benin Dmitrij Mihajlovich. – M., 2011. – 175p. [in Russian]
4. Snezhko V.L., Benin D.M. Chislennoe i fizicheskoe modelirovanie pri izuchenii napornyh vodopropusknyh sooruzhenij v gidrotehnike [Numerical and physical modeling in the study of pressure in hydraulic culverts] / V.L. Snezhko, D.M. Benin // Nauka i biznes: puti razvitija [Science and business: the development of], 2013, №2 (20). p.031-037 [in Russian].
5. Paliivec M.S., Snezhko V.L. K voprosu opredelenija gidravlicheskih soprotivlenij trojnikov [On the question of determining the hydraulic resistance tees] / M.S, Paliivec, V.L. Snezhko // Estestvennye i nauchnye nauki [Natural Science and scientific], 2010, № 5 (48). P. 592-599 [in Russian]
6. Spravochnik po raschetam gidravlicheskih i ventiljacionnyh system [Handbook of hydraulic calculations and ventilation systems] / Pod obshh. red. A.S. Jur'eva. Spb.: Mir i sem'ja, 2001. 1154 p. [in Russian]