авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование учета взаимного влияния элементов узла регулируемая задвижка - тройник в напорных водоводах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Палиивец Максим Сергеевич

Совершенствование учета взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка - тройник» в напорных водоводах

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Гидравлики»

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Снежко Вера Леонидовна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,

Есин Александр Иванович

- кандидат технических наук, доцент

Алтунин Владимир Ильич

Ведущая организация: ЗАО ПО «Совинтервод»

Защита состоится 15 ноября 2010 г. в 1500 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан «15» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук И.М. Евдокимова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Особенности работы напорных водоводов, будь то гидротехнические водоводы, водовыпуски гидроузлов или трубопроводы систем водоснабжения следует учитывать не только во время эксплуатации, но и на этапе проектирования и расчета. Очевидны существование связи между надежностью и конструкцией элементов проточной части водовода, а также возможность повышения надежности трубопровода конструктивными мероприятиями, учитывающими гидравлические особенности течения.

Опыт проектирования показывает, что совместное проведение теоретических и экспериментальных исследований может обеспечить необходимый уровень гидравлической безопасности водоводов. В водопроводящих сооружениях, имеющих узлы местных сопротивлений, только теоретическое определение гидравлических характеристик может дать неверную (как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения) оценку пропускной способности, вызванную взаимным влиянием сопротивлений, и требуется обязательное проведение эксперимента. Выявление участков подхода ядра скоростей к стенкам водовода за фасонными частями, протяженности вихревых зон и положения сечения стабилизации кинематических характеристик потока укажут одни из вероятных мест возникновения коррозии и протечек в напорных водоводах.

Поэтому целью исследований стало получение экспериментальных зависимостей для гидравлического коэффициента трения и коэффициентов местных сопротивлений в водоводах квадратного сечения, определение кинематических характеристик стационарного турбулентного течения жидкости в арматурных элементах напорных водоводов для повышения надежности работы систем водоподачи и точности их гидравлического расчета.

В качестве объекта исследований приняты встречающиеся в гидротехнических сооружениях местные сопротивления – нестандартизованные равнопроходные тройники при отсутствии или наличии задвижек (затворов), расположенных на ветвях. Это могут быть многоярусные водопропускные сооружения, гидродинамические стабилизаторы расхода водовыпусков низконапорных гидроузлов, гидродинамические регуляторы расхода на перепадах каналов оросительной сети и уравнительные резервуары с вертикальными или наклонными шахтами небольшого сечения при отсутствии регулирования турбин (рис.1).

Для развития методов расчета водоводов, имеющих ряд местных сопротивлений, как не влияющих, так и влияющих друг на друга, необходимо понимать физику процессов, происходящих с жидкостью при прохождении всего водопроводящего тракта, что позволит применять расчетные модели в большей степени соответствующие реальным гидравлическим системам. Все это требует экспериментального изучения на модели кинематических характеристик потока тройников указанной конструкции и получения эмпирических зависимостей для сопоставимых условий (квадратичная область сопротивления, постоянство диаметра и материала моделей, единая методика проведения наблюдений), обеспечивающих достоверность полученных результатов.

Рис. 1. Схемы элементов сооружений:

а), б) – гидродинамические стабилизаторы расхода; в) – элемент подводящей деривации ГЭС Ленч (Швейцария); г) – напорная деривация ГЭС Шаори (Грузия); д) – напорная деривация ГЭС Ремпен (Швейцария); е) – фрагмент напорных штолен ГАЭС Кош (Франция).

Для достижения цели решены следующие задачи:

1. Определить значения гидравлического коэффициента трения (Дарси) в квадратном водоводе и вывести для его расчетов эмпирическую зависимость.

2. Изучить гидравлические характеристики – поля распределения давлений и скоростей в окрестности узла: нестандартизованных одно- и двухсторонних прямоугольных задвижек при различных степенях закрытия, нестандартизированных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 300 до 1500 при отсутствии расхода ответвления; узлов, включающих рассматриваемые сопротивления.

3. На основании вычислительного эксперимента с помощью пакета прикладных программ STAR-CD построить эпюры полей давлений в рассматриваемом узле местных сопротивлений и провести сравнение значений давлений с результатами натурного эксперимента.

4. Выяснить области образования вихревых зон и длины участков стабилизации, рассматриваемых сопротивлений и их узлов, определить места выхода ядра скоростного потока на стенки трубопровода в зоне расположения арматуры. Проверить диапазон чисел Рейнольдса Re=1,11053105 на принадлежность к квадратичной области сопротивлений, в которой величина местного сопротивления зависит только от его геометрии.

5. Установить возможность применения коэффициентов сопротивления одно- и двухсторонних прямоугольных задвижек, приведенных в справочной литературе, на трубопроводах меньшего сечения.

6. Экспериментально определить значения коэффициентов местных гидравлических сопротивлений нестандартизованных равнопроходных тройников с углами бокового подвода от 300 до 1500 при отсутствии расхода ответвления и получить универсальную эмпирическую зависимость для их расчета.

7. Экспериментально определить значения коэффициентов местных сопротивлений и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка-тройник» при варьировании угла бокового подвода, вида и степени закрытия задвижки при отсутствии расхода ответвления.

Достоверность полученных результатов. Использованные в работе методы проведения и оценки точности гидравлического эксперимента производились согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Полученные значения для единичных сопротивлений хорошо согласуются с данными исследований других авторов, опубликованных в научно-технической и справочной литературе. Гидравлические расчёты строго и последовательно проведены по формулам, используемым в гидравлике напорных водоводов. Качество экспериментально полученных зависимостей проверено в достаточном объёме с учётом последних наработок математической статистики. Численное моделирование течения в узле реализовано с использованием современного программного обеспечения.

Научная новизна работы состоит в получении эмпирической зависимости для расчета гидравлического коэффициента трения (Дарси) в трубопроводах квадратного сечения; в определении схемы течения и коэффициентов местных сопротивлений нестандартизированных равнопроходных тройников с углами от 300 до 1500 при отсутствии расхода ответвления и универсальной формулы для их расчета; в установлении коэффициентов сопротивлений и взаимного влияния элементов узла «регулируемая задвижка – тройник» при варьировании угла ответвления тройника вида и степени закрытия задвижки; в выявлении длины зоны влияния указанных сопротивлений и определении мест водовода, в пределах которых происходит выброс ядра скоростей на стенки и возможен риск возникновения интенсификации коррозии.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Эмпирические зависимости, позволяющие определять значения гидравлического коэффициента трения (Дарси) в квадратном трубопроводе, а также коэффициентов местных сопротивлений равнопроходных тройников круглого и квадратного сечений (приточных и вытяжных) при отсутствии расхода ответвления.

2. Экспериментальные значения коэффициентов взаимного влияния и длины влияния элементов узла «регулируемая задвижка-тройник» при отсутствии расхода боковой ветви и варьировании типа задвижки, степени ее закрытия, угла ответвления тройника в трубопроводах квадратного сечения.

Практическая ценность. Полученные в диссертации экспериментальные зависимости могут быть использованы проектными и научно- исследовательскими организациями для гидравлических расчетов напорных водопроводящих сооружений с учетом взаимного влияния местных сопротивлений. Это позволит значительно повысить точность определения пропускной способности трубопроводов, предусмотреть возможную пульсацию скоростей и давлений, наиболее целенаправленно выполнять компоновку трубопроводных систем на стадии проектирования, обеспечивающую возможность доступа для осмотра и текущего ремонта мест трубопроводов, где происходит наибольшее гидродинамическое воздействие на стенки и образование интенсивных водоворотных областей в районе узла. На данный момент разработанные методики используются в ЗАО ПО «Совинтервод».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 66-ой научно-технической конференции Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета 3-5 февраля 2009 г., международной научно-технической конференции Московского государственного университета природообустройства 17 февраля 2007 года, 20 апреля 2009 года и 14 апреля 2010 года, 67-ой Всероссийской научно-технической конференции Самарского государственного архитектурно-строительного университета 5-9 апреля 2010 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем публикаций по теме диссертации 2,2 п.л., из них лично автора – 1,5 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, иллюстрированного 62 рисунками, и содержит 13 таблиц. Список используемой литературы включает 138 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, методы исследований, научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов и структура работы.

В первой главе приводится обзор исследований режимов движения жидкости в напорных трубопроводах круглого и некруглого сечений, а также единичных и узловых гидравлических сопротивлений с последующей систематизацией расчетных зависимостей, используемых в отечественной и зарубежной практике. Исследованиями местных сопротивлений трубопроводов занимались Жан Шарль Борда, Ю. Вейсбах, Джон и Роули, Д. Тома, Ю.А. Скобелицын, Г.Т. Татарчук, И.З. Аронов, Н. Ширагами, Т. Тарамаи, К. Судоу, C. Хе и Ж.А. Готтс, известны также работы последних лет: А. Тэйлора и Ж.Х Витэлов, М. Яна, Ч.Ц.С. Сонга, И. Футаки и С.С. Мартина. Сопротивления тройников, полученные И.Е. Идельчиком, считаются классическими в гидравлике, в этой же области работали П.Н. Каменев и А.М. Курганов, известны исследования ученых университета Миннесоты: Ч.А. Динга, Л. Карлсона, К. Эллиса. Зависимости коэффициентов местного сопротивления нестандартизованных задвижек прямоугольного сечения получены Б.И. Яньшиным. Вопросами взаимного влияния местных сопротивлений занимались Н.В. Левкоева и А.С. Петров (диафрагмы), М.М. Андрияшев (конфузорно-диффузорные переходы), И.З. Гольденберг (отводы и задвижки, колена), В.А. Зюбан (тройники), М.Е. Шольц (тройники, отводы), М.-Р. Умбрасас (отводы).

При более широком применении круглых труб их местные гидравлические сопротивления изучены более полно. Коэффициенты сопротивления стандартизованных тройников с узлами ответвления индустриальной конструкции могут быть вычислены при турбулентном течении по экстраполяционным формулам Л.С. Клячко и Л.Б. Успенской.

Рассматривая основные приближенные методы расчета мест­ных сопротивлений тройников, можно увидеть, что об­щим для всех них является использование при решении задачи двух уравнений гидромеханики: уравнения Бернулли и уравнения количества движения. Поэтому расчетные формулы внешне достаточно близки между собой и точность получаемых расчетов по различным методам приблизительно одинакова.

Коэффициенты сопротивления нестандартизованных тройников обычной формы (без закруглений и расширения или сужения бокового ответвления и прямого прохода) на боковое ответвление с.б. и прямой проход с..п. определяются по универсальным формулам С.Р.Левина и В.Н.Талиева, в которые внесены поправочные коэффициенты при сопоставлении расчета с опытами С.Р.Левина, Гарделя, Кинне, Петермана и Фогеля:

Вытяжные тройники

(1)

(2)

Приточные тройники

(3)

при , (4)

здесь – площади рукавов; – расходы рукавов; – угол ответвления; A, A’– эмпирические коэффициенты, полученный В.П.Зубовым; , и – коэффициенты сжатия потока; – коэффициент, принимаемый по таблицам.

Все указанные выше формулы дают хорошее совпадение c экспериментальными данными. При прохождении потока в проходе мимо свободного углубления прямого прохода или бокового ответвления (ниши), образуемой при или всегда наблюдается потеря энергии, что наглядно подтверждается экспериментами В.А. Зюбана на тройниках круглого сечения. По данным А.Д. Альтшуля нишу (ответвление) возможно рассматривать как тройник с нулевым расходом ответвления, т.е. поток в ответвление не поступает и в ответвлении возникает вихрь, являющийся причиной местных потерь напора на проход. Потери в нишах при отсутствии расхода прямого прохода по указанным формулам определить можно, но при отсутствии расхода бокового рукава (ответвления) – нельзя, так как расчет дает . Это основной недостаток применяемых универсальных формул, отмечаемый в большинстве гидравлических справочников.

Анализ исследований взаимного влияния местных сопротивлений показал, что сближение проходных запорных клапанов снижает сопротивление узла на 20%. При малых относительных расстояниях между диафрагмами коэффициент взаимного влияния =0,36, при разнесении их на 5-6d – =1,05. Узел из отводов с клапанами дает =0,85, с клинкетами – 1,25. Для тройников при различных условиях лежит в пределах 0,6…1,6. При оценке взаимного влияния местных сопротивлений необходимо указывать не только геометрию узла и числа Рейнольдса , при которых получены экспериментальные данные, но и гидравлический коэффициент трения , так как они влияют на стабилизацию скоростного поля потока, искаженного местным сопротивлением.

Систематизация данных из литературных источников позволила определить длины влияния сближаемых единичных сопротивлений: для полностью открытой задвижки вверх по течению lвл=1,22d от оси задвижки; для регулируемой задвижки вниз по течению lвл=610d от оси задвижки; для прямого равнопроходного тройника в отростках lвл=4d, в магистрали lвл=5,5d; для узла «проходной клапан – тройник» lвл=1012d; для узла «задвижка – равнопроходный прямой раздаточный тройник» при подаче в обе ветви lвл=6,5d.

Полученные предыдущими исследованиями значения гидравлических параметров были приняты в диссертации в качестве опорных значений, с которыми сверялись экспериментальные данные.

Вторая глава диссертационной работы посвящена изложению принятой методики планирования эксперимента, описанию экспериментальной установки и статистической обработке эмпирических данных. Исследования ставили перед собой цель изучить следующие гидравлические характеристики напорного водовода квадратного сечения: гидравлическое трение, местные сопротивления единичного характера – ниши, расположенные под углами 300,600, 900, 1200, 1500 к потоку; нестандартизованные одно- и двухсторонние задвижки прямоугольного сечения (без выемки для клапана) при различных степенях закрытия; узловые местные сопротивления (сочетание ниш под углами от 300 до 1500 и нестандартизованной одно- и двухсторонней задвижки при регулировании); поля давлений и скоростей.

Для проведения эксперимента в лаборатории кафедры Гидравлики Московского государственного университета природообустройства была создана модель водовода, размещенная в гидравлическом лотке шириной 600 мм и длиной 14915 мм (рис. 2). Рабочей жидкостью служила пресная вода. Все экспериментальные исследования были проведены лично автором в период 2008-2010 гг.

Конструкция гидравлической модели представляет собой водовод квадратного сечения, с внутренним линейным размером 85х85 мм, выполненный из оргстекла толщиной 5 мм, отдельные секции модели соединены между собой квадратными фланцами (рис. 2).

На расстоянии 36d от входного сечения (где d – высота входного сечения водовода), выполнялись ответвления под углом =300,600, 900, 1200, 1500 в зависимости от серии опытов, на расстоянии 31d от входа устанавливались нестандартизованные одно- и двухсторонние задвижки прямоугольного сечения, представляющие собой клапаны (квадратные пластины) толщиной 5 мм с внутренним линейным размером в свету a=0,85;1,7;2,55;3,4 см – для односторонней задвижки и a=0,43;0,85;1,28;1,7 см – для двухсторонней задвижки. Длина напорного водовода составляет 76d, он установлен в гидравлическом лотке на четыре металлические опоры.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

1 – напорный бак; 2 – мерное стекло напорного бака; 3 – щит с пьезометрами; 4 – задвижка; 5 – гидравлическая модель; 6 – лоток; 7 – плоский жалюзный затвор; 8 – мерный треугольный водослив; 9 – стальные опоры; 10 – стойки; 11 – успокоительные сетки; 12 – стакан со шпитценмасштабом; 13 – успокоительный бак; 14 – нагнетательный трубопровод.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.