ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА В УСЛОВИЯХ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

Долматов Н.П.¹, Михеев А.В.², Долматова Л.Г.³

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, кандидат технических наук, доцент, ²ORCID: 0000-0002-1825-0025, кандидат технических наук, профессор, ³ORCID: 0000-0002-1825-0097, кандидат экономических наук, доцент, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА В УСЛОВИЯХ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

Аннотация

В статье приведен расчет технико-экономических показателей рабочего органа дренопромывочной машины. Суть данных расчетов заключается в обосновании основных геометрических параметров деталей дренопромывочного устройства: диаметра цилиндрической части корпуса, угла наклона струеформирующих насадок и их количества, угла расширения диффузора, конструкции лобовой части корпуса. При расчете характеристик рабочего органа учитывались условия полного и частичного затопления дренажной трубы. Так же в статье рассмотрены случаи взаимодействия струи с частицами наилка.

Ключевые слова: рабочая камера, технико-экономические показатели, углы наклона, дренопромывочное устройство, расход.

Dolmatov N.P.¹ , Miheyev A.V.² , Dolmatova L.G.³

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, PhD in Engineering, Associate professor, ²ORCID: 0000-0002-1825-0025, PhD in Engineering, professor, ³ORCID: 0000-0002-1825-0097, PhD in Economics, Associate professor, Novocherkassk Engineering Institute reclamation name AK Kortunova VO "Don State Agrarian University"

FEASIBILITY DRENOPROMYVOCHNOGO EFFECTIVE FUNCTIONING OF THE DEVICE IN LAND RECLAMATION

Abstract

The article presents the calculation of technical and economic parameters of working body drenopromyvochnoy machine. The essence of these calculations is to justify the basic geometric parameters of parts drenopromyvochnogo device: the diameter of the cylindrical part of the body, the angle of inclination of jet forming nozzle and the amount of the angle of expansion diffuser design of the frontal part of the body. When calculating the working body characteristics were taken into account the conditions of full and partial flooding of the drainage pipe. Also in the article we describe the cases of jet interaction with particles nailka.

Keywords: the working chamber, technical and economic parameters, angles, drenopromyvochnoe device consumption.

Достижения в сельском хозяйстве в первую очередь во многом зависят от состояния почв земельных угодий. В свою очередь состояние мелиорируемых земель зависит от содержания и состояния коллекторно-дренажной сети. Основным средством предупреждения и ликвидации отрицательных последствий орошения, а также освоения засоленных и склонных к засолению земель является искусственный (инженерный) дренаж, который включает систему агротехнических мероприятий, промывку земель и промывной режим орошения на фоне дренажа.

В процессе работы дренажа через перфорацию в полость дренажной трубы попадают различные минеральные частицы. Со временем объем этих частиц увеличивается, тем самым ухудшая пропускную способность трубы.

Особенно интенсивное заиление происходит в первые три года эксплуатации дренажа. Для удаления частиц образовавшегося наилка в полости трубы разработаны несколько видов дренопромывочных устройств, которые являются рабочими органами дренопромывочных машин.

Проведенный анализ имеющихся в настоящее время способов очистки дренажных трубопроводов и конструкций дренопромывочных устройств, а так же проведенные лабораторные исследования [1]  показывают, что в большей степени эффективность очистки дрен дренопромывочным устройством (ДПУ) зависит от оптимальных конструктивных параметров рабочего органа устройства  - распределительной камеры (РК).

 В качестве расчетной принимается рабочая схема распределительной камеры РК дренопромывочного устройства ДПУ, представленная на рис. 1.

Рис. 1- Основные конструктивные элементы РК  ДПУ: 1 – диффузор рабочей камеры; 2 – цилиндрическая часть распределительной камеры; 3 – лобовая часть рабочей камеры; 4 – струеформирующие насадки

Основными элементами корпуса распределительной камеры ДПУ являются:

• диффузор;
• цилиндрическая часть корпуса;
• струеформирующие насадки;
• лобовая (конусная) часть корпуса.

Для расчета принимается однорядная, кольцевая схема размещения струеформирующих насадков  (СФН) на корпусе РК ДПУ.

Проектирование ДПУ связано с необходимостью обоснования следующих параметров:

• диаметра отверстия струеформирующего насадка (d_о);
• количества струеформирующих насадков (n_н);
• угла ориентации струеформирующего насадка относительно осевой линии РК (β);
• угла расширения диффузора РК (α_диф);
• диаметра распределительной камеры (d_к);
• расхода ДПУ (Q_дпу);
• напора ДПУ (Z_дпу).

Исходными для расчета являются следующие данные:

• геометрические размеры дренажной трубы (внутренний диаметр – d_др; длина участка промывки - L_п);
• высота слоя наносных отложений (δ_н);
• физико-механические характеристики грунта наносных отложений (осредненная величина крупности фракций – d_н; плотность наносных отложений - ρ_н; плотность частиц грунта наносных отложений - ρ_т);
• время промывки заданного участка дренажной трубы (t_п);
• радиус цилиндра барабана (r_бар).

Промывка дренажных трубопроводов может осуществляться при следующих двух возможных режимах:

• полное затопление;
• частичное затопление.

В случае полного затопления все гидравлические струи  РК ДПУ формируются как затопленные осесимметричные. Для режима частичного затопления часть струй могут формироваться как незатопленные. В силу сложности гидравлических процессов, происходящих в дренажной трубе во время ее промывки, расчет следует вести для двух абсолютизированных режимов формирования струй. Наихудшие гидравлические условия с точки зрения размыва заданного слоя наносных отложений могут быть приняты за основу при проектировании ДПУ.

Следующим важным моментом является выбор расчетной схемы расположения распределительной камеры ДПУ по высоте в дренажной трубе в активной стадии промывки. По очевидной логике ориентация при расчете ДПУ должна быть сделана на промывку нижней части дренажной трубы, содержащей наносные отложения.   В том случае, когда РК лежит на дне дренажной трубы, а точнее на слое наносных отложений, условия для размыва наносов являются наилучшими, так как взаимодействие струи с частицами наилка осуществляется наиболее активным начальным участком гидравлической струи.

В то же время, положение РК ДПУ в дренажной трубе по вертикали с увеличением  скорости истечения из системы СФН будет стремиться к соосности с дренажной трубой. Такое расположение РК ДПУ в дренажной трубе будет наихудшим для промывки нижней части дрены, следовательно такая схема может быть принята за расчетную.

Рассмотрим затопленный режим промывки дренажного трубопровода. В этом случае, согласно теории турбулентных струй [2], струя расширяется с увеличением расхода по длине. Взаимодействие с грунтом происходит расширенным сечением струи (рис.2).

Рис. 2 - Схема взаимодействия затопленной струи с наилком: 1 – распределительная камера ДПУ; 2 – затопленная осесимметричная турбулентная струя; 3 – воронка размыва

При взаимодействии с наилком струя сформирует воронку размыва диаметром d_в. Очевидно, что формирование воронки размыва прекратится при соблюдении условия, когда скорость движения жидкости по периметру воронки уменьшится до значения меньше размываемой U_р. В первом приближении этому условию соответствует следующее равенство:

  (1)

где  - расход и средняя скорость затопленной струи в створе взаимодействия ее с поверхностью грунта;  - диаметр струи в створе взаимодействия ее с поверхностью грунта;  - предельный диаметр воронки размыва; - скорость размыва.

Решив равенство (1) относительно диаметра воронки размыва, получаем зависимость следующего вида:

(2)

(2)

Среднюю в сечении скорость  в первом приближении можно определить по зависимости:

  (3)

где  - скорость на динамической оси затопленной струи в створе взаимодействия ее с поверхностью грунта.

  (4)

где  - скорость истечения затопленной струи из струеформирующего насадка;

 - диаметр отверстия струеформирующего насадка.

Диаметр затопленной струи (рис.3) определяется из геометрических соображений по формуле:

  (5)

где  - угол расширения затопленной струи;

 - расстояние между РК ДПУ и стенкой дренажной трубы, составляет:

 (6)

где  - диаметр распределительной камеры ДПУ,

 - диаметр дренажной трубы.

Рис. 3- Схема размыва гидравлической струей наносных отложений

 

Для случая, когда гидравлическая струя формируется в воздухе, то есть является незатопленной, ее расход  остается постоянным по длине, а сама струя незначительно расширяется [3,4,5]. Схема взаимодействия незатопленной струи с наилком представлена на рис.4.

Рис.4 - Схема взаимодействия незатопленной струи с наилком: 1- распределительная камера ДПУ; 2 - незатопленная гидравлическая струя; 3 - воронка размыва

 

Диаметр воронки образованной незатопленной струей определяется подобным образом по формуле:

  (7)

где  - средняя скорость незатопленной струи в створе взаимодействия ее с поверхностью грунта;

 - диаметр струи в створе взаимодействия ее с поверхностью грунта;

 - предельный диаметр воронки размыва.

Диаметр незатопленной струи можно определить по следующей зависимости [6,7]:

  (8)

где  - длина незатопленной струи.

Средняя скорость незатопленной струи в текущем сечении определяется из условия неразрывности и составляет:

  (9)

Анализ полученных зависимостей (2) и (7) для диаметра воронки размыва дает основание утверждать, что . Следовательно, наихудшим для промывки дренажной трубы является незатопленный режим, который и принимается за основу при расчете параметров рабочей камеры ДПУ. Для случая, когда струя на преграду падает под острым углом зависимость (7) принимает следующий вид:

  (10)

Значение диаметра струи определяется по формуле (8), в которой длина ее х_с находится из геометрических соображений по формуле:

  (11)

Определение расхода воды, необходимого для размыва заданного слоя наносных отложений, связано с необходимостью нахождения скорости истечения жидкости из СФН. Для этого потребуется установить связь размера диаметра области размыва заданного слоя наносных отложений с поступательной скоростью движения РК ДПУ в дренажной трубе.

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что угол ориентации струеформирующего насадка существенно влияет на гидравлические характеристики дренопромывочного устройства, а так­же на эффективность очистки дренажной трубы от наносных отложений.

Список литературы / References

1. Долматов Н.П., Михеев А.В. Технико-экономическое обоснование параметров дренопромывочной головки // «Вестник ЮРГТУ (НПИ)». Социально-экономические науки. – 2016. – № 2, – С. 53-61.
2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: Наука, 1984.-750 с.
3. Ржига Й. Эксплуатация трубчатых дренажных систем/Пер. с чеш. Б.И. Борбарова; под ред. и с предисл. К.М. Лапидовского.-М.: Колос, 1968.-128 с.
4. Примеры расчетов по гидравлике: Учеб. пособие для вузов/ А.Д. Альтшуль, В.И. Колицун, Ф.Г. Майрановский, П.П.; Под ред. А.Д. Альтшуля. – М.: Стройиздат.1976.-254 с.
5. Справочник по гидравлическим расчетам/Под ред. П.Г. Кисилева.-4-е изд.-М.: Энергия, 1977.-312 с.
6. Скляр М.А. Исследования разрушающего действия струи воды при разработке связных грунтов в гидротехническом строительстве: Автореферат. конд. техн. наук. – Новочеркасск, 1990.-28 с.
7. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. для вузов.-М.: Стройиздат, 1987. 414 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dolmatov N. P. Tehniko-jekonomicheskoe obosnovanie parametrov drenopromyvochnoj golovki [Technical and economic rationale of parameters of drainage-washing knob] / N. P. Dolmatov, A. V. Miheev // «Vestnik JuRGTU (NPI)». Social'no-jekonomicheskie nauki ["YuRGTU (NPI) Bulletin". Social and economic sciences]. – 2016. – № 2. – P. 53-61. [in Russian]
2. Abramovich G. N. Teorija turbulentnyh struj [Theory of turbulent streams] / G. N. Abramovich. – M.: Nauka, 1984.- 750 p. [in Russian]
3. Rzhiga J. Jekspluatacija trubchatyh drenazhnyh system [Operation of tubular drainage systems] / J. Rzhiga; trans. From chesh. /. B.I. Borbarova; ed. by K.M. Lapidovskogo. – M.: Kolos, 1968. – 128 p. [in Russian]
4. Primery raschetov po gidravlike: Ucheb. posobie dlja vuzov [Examples of calculations for hydraulics: manual for higher education institutions] / A. D. Al'tshul', V. I. Kolicun, F. G. Majranovskij; ed. by. A. D. Al'tshulja. – M.: Strojizdat, 1976. – 254 p. [in Russian]
5. Spravochnik po gidravlicheskim raschetam [Reference manual by hydraulic calculations] / ed. by P. G. Kisileva. – 4th edition. – M.: Jenergija, 1977. – 312 p. [in Russian]
6. Skljar M. A. Issledovanija razrushajushhego dejstvija strui vody pri razrabotke svjaznyh gruntov v gidrotehnicheskom stroitel'stve: Avtoreferat. kand. tehn. Nauk [Researches of the destroying action of a stream of water by development of the downlink soil in hydrotechnical construction: synopsis of the thesis of PhD in Engeneering] / M. A. Skljar. – Novocherkassk, 1990. – 28 p. [in Russian]
7. Al'tshul' A. D. Gidravlika i ajerodinamika: Ucheb. dlja vuzov [Hydraulics and aerodynamics: manual for higher education institutions] / A. D. Al'tshul' etc. – M.: Strojizdat, 1987. – 414 p. [in Russian]