Оптимизация гидравлического расчета безнапорных трубопроводов из различных материалов

ВЕСТНИК 3/2010

ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА БЕЗНАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.А. Орлов, P.E. Хургин

МГСУ

Рассмотрены результаты экспериментов по определению коэффициента относительной шероховатости для гофрированной трубы выполненной из полипропилен-блок сополимера (фирмы WAWIN) и гладкой трубы, выполненной из непластифициро-ванного ПВХ (фирмы WAWIN).

Experimental results of determination of relative wall roughness factor for a corrugated pipe executed of polypropylene block copolymer (firm WA WIN) and a smooth pipe executed of WAWIN pipes made of unplasticizedpolyvinylchloride(PVC), (firm «WAWIN»), have been studied.

Современные тенденции широкого использования новых труб из различных материалов (в том числе синтетических) в период ремонта и реконструкции выходящих из строя старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки ее гидравлических показателей, а также на затруднении эксплуатации, так как для каждого разнородного участка трубопровода должны применяться соответствующие методы обслуживания (например, прочистки и т.д.).

Для трубопроводов из новых материалов на сегодняшний день пока нет строгих гидравлических зависимостей изменения коэффициентов Шези С и гидравлического трения X. Более того, практически каждый производитель новых типов труб обнаро-дывает свои, подчас не объективные критерии оценки гидравлической совместимости труб из различных материалов. Задача еще более усугубляется, когда таких материалов много и каждый из них находит свою нишу при ремонте безнапорных сетей. В результате этого появляется некое подобие сети с «заплатками». Это не исключает гидравлического дисбаланса, т.е. возможных негативных тенденций, связанных с подтоплением в местах стыковки труб или на определенных расстояниях от мест стыковки [1].

Задачами гидравлического расчета и проектирования безнапорных водоотводя-щих сетей в разные годы занимались многие отечественные (Павловский H.H., Альт-шуль А.Д., Яковлев C.B., Добромыслов А.Я., Калицун В.И., Курганов A.M., Лукиных H.A., Федоров Н.Ф. и др.) и зарубежные исследователи (Прадтль Л., Шези, Базен, Маннинг и др.). Ими предложено ряд формул, по которым можно производить гидравлические расчеты трубопроводов, выполненных из соответствующего материала. Однако и на сегодняшний день в СНиП 2.04.03-85 [2] и других технических документах отсутствуют четкие унифицированные методики и рекомендации по гидравлическому расчету самотечных трубопроводов, выполняемых из различных материалов. Последнее обстоятельство вносит некоторое неудобство в теорию и практику расчета и проектирования безнапорных сетей особенно в период их бестраншейного ремонта и

3/2010 ВЕСТНИК _f/2°™_МГСУ

настоятельно требует совершенствования подхода к унификации и оптимизации расчета труб из альтернативных материалов.

В основе гидравлических расчетов лежит условие соблюдения установившегося равномерного движения сточной воды в трубах по двум основным формулам: неразрывности потока (1) и Шези (2):

q =

V = C-4R~i

где q - расход жидкости, м3/с; ю - площадь живого сечения, м2; V -скорость движения жидкости, м/с; R -гидравлический радиус, м; i - гидравлический уклон (равный уклону трубы при установившемся равномерном движении); С - коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса и шероховатости смоченной поверхности трубопровода, м0,5/с.

Основная трудность при проведении гидравлических расчетов заключается в определении коэффициента Шези С. Для его определения рядом исследователей предложены собственные универсальные формулы (эмпирические или полуэмпирические зависимости), в той или иной степени описывающие зависимость коэффициента Шези С от гидравлического радиуса, величины шероховатости стенок трубопровода и других факторов:

а) формула H.H. Павловского (3):

C = -  Ry

n

где n - относительная шероховатость стенки трубы,

Для определения показателя степени y используется формула (4):

y = 2,5 ТП - 0,13 - 0,75>/R

б) формула А. Маннинга (5):

C = -  R1/6

n

в) формула АД. Альтшуля и В.А. Лудова для определения y (6):

y = 0,57 - 0,22 lg C

г) формула A.A. Карпинского (6):

y = 0,29 - 0,0021C

На базе указанных и других аналогичных зависимостей построены таблицы гидравлического расчета и номограммы, которые позволяют инженерам-

ВЕСТНИК 3/2010

проектировщикам проводить гидравлический расчет безнапорных сетей и каналов, выполненных из некоторых материалов.

Расчет безнапорных самотечных трубопроводов рекомендуется производить по [2] с использованием формулы Дарси-Вейсбаха (8):

• = — —,

4Я 2g, У '

где X - коэффициент гидравлического трения; g - ускорение свободного падения, м/с2. Объединяя формулы (2) и (8) коэффициент Шези С может быть определен по формуле (9):

C Чт

Рядом исследователей отмечается, что на практике расчеты по представленным выше и другим формулам, описывающим зависимость коэффициента Шези С от различных параметров, дают расхождение в результатах от 2 до 9 % [3], и даже до 20 % [4], что свидетельствует о возможности их использования в инженерных расчетах, но не без ущерба для точности. Расхождения обусловлены тем, что каждая расчетная формула определения коэффициента Шези С имеет свой коэффициент шероховатости, частности в формулах (3) и (4) - безразмерный коэффициент n.

Формулы Павловского H.H. (3) и Маннинга (5) являются наиболее опробирован-ными из отмеченных выше формул и лучше других согласуются с опытными данными. Справедливость данных формул подтверждена и проверена инженерной практикой и не вызывает сомнений в возможности дальнейшего использования для гидравлического расчета безнапорных сетей из керамики, бетона и кирпича, т.е. для тех материалов, где коэффициент шероховатости n составляет порядка 0,013-0,014. Отдавая должное точности формулам (3) и (5), следует признать, что они не учитывают вязкость жидкости и поэтому действительны только в квадратичной области гидравлических сопротивлений [4]. Для переходной области гидравлических сопротивлений, в которых, например, работают большинство водоотводящих труб, формулы (3) и (5) требуют корректировки в связи с меньшими коэффициентами шероховатости n, что характерно для нового поколения полимерных труб.

Получение универсальных зависимостей для гидравлического расчета труб из различных полимерных материалов сводилось к уточнению значений коэффициентов шероховатости n, причем для упрощения расчетов за базовую гидравлическую зависимость для определения коэффициента Шези С была принята формула Маннинга (5).

В качестве исследуемых на гидравлическом стенде материалов трубопроводов рассмотрены следующие два типа труб фирмы Вавин внутренним диаметром 9,5 см и 1,04 см (рисунок 1).

Для проведения экспериментов была разработана методика, сущность которой можно представить в виде следующего алгоритма:

- снятие показаний давлений с пьезометров и трубок Пито в двух точках потока, расположенных на расстоянии 10 м в широком диапазоне уклонов трубопроводов (0,001-0,03);

3/2010 мв.ВЕСТНИК

- замер расхода протекаемой воды с помощью ультразвукового расходомера с последующим расчетом средних значений гидравлического радиуса для различных режимов работы трубопровода соответствующего диаметра и определения величин коэффициентов С иХс построением эмпирических зависимостей С = /К);

- использование полученных эмпирических зависимостей С = /К) и формулы (5) для получения значений коэффициента относительной шероховатости п для соответствующего материала трубопровода.

Рис. 1. Типы исследуемых труб

Результаты натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей С = /К) представлены в виде графиков на рисунках 2-3

1

: ♦

: :

.....С " 63,933 НР'^* . —~..........¿с—-------- - -

--1- - -1-

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Гидравлический радиус К. м

Рис. 2. Кривая зависимости коэффициента Шези С от гидравлического радиуса К С = /(К) для первой трубы

Сопоставляя полученные зависимости С = /К) с формулой (5), были вычислены величины относительной шероховатости п для трех типов труб при расчетном наполнении 0,6: п1 трубы = 0,00998; п2 трубы = 0,00939; Если сравнивать полученные значения п со значением относительной шероховатости керамической трубы пкер. = 0,0134, то можно отметить, что шероховатость исследуемых труб значительно меньше.

ВЕСТНИК МГСУ

3/2010

Рис. 3. Кривая зависимости коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R С = f R) для второй трубы

Таким образом, для проведения проектировщиками гидравлических расчетов во-доотводящих сетей по формуле (2), где, в общем оптимальном приближении для определения коэффициента Шези С при расчетных наполнениях, можно использовать полученные в результате экспериментов универсальные формулы (10 и 11), адаптированные к классическим формулам H.H. Павловского (А. Маннинга) в виде:

Ci трубы = 1/ 0,00998R1/6= 100,2Я1/6

Сг трубы = 1/ 0,00939R1/6= 106,5Я1/6

Литература

1. Харькин В.А. / Разработка системного подхода и оптимизация эксплуатации безнапорных водоотводящих сетей (Автореферат кандидатской диссертации) //МГСУ- 2003. - 20с.

2. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения // Стройиздат.- 1985.

3. Калицун В.И. / Гидравлический расчет водоотводящих сетей // Стройиздат.- 1988.- 72 с.

4. Добромыслов А.Я. /Гидравлический расчет безнапорных трубопроводов // Трубопроводы и экология.- 2000. -№ 2.- с. 21-24.

Ключевые слова: трубопровод, коэффициент шероховатости, гидравлический стенд, коэффициент Шези, наполнение, скорости течений, гидравлический радиус.

Key words: pipeline, roughness factor, hydraulic test bench, Chezy formula, filling, flow velocities, hydraulic radius.

Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ»

E-mail авторов: jeks-2003@yandex.ru; hurgin@mail.ru.