Файл: Вопросы водного хозяйства [сборник]..pdf

г. трубах с искусственными турбулизаторами потока. Теплофизика высоких температур, 1966, № 5.

2. М и г а й В. К., Н о в о ж и л о в И. Ф. Теплообмен в трубах с внутренними поперечными выступами. «Известия высших учебных заведений», 1965, «Энергетика», 1965, № 11.

К. И. ШИМКО, A. E. ЕЛИСЕЕВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ

ВПЕРФОРИРОВАННЫХ ТРУБАХ, ЗАКЛЮЧЕННЫХ

ВОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ ЖИДКОСТИ

Вмелиоративной практике получил распространение полиэтиленовый дренаж. Внедрение пластмассового дре­ нажа требует установления расчетных зависимостей,

учитывающих неравномерность движения жидкости в дырчатых трубах, усложненного отводом или присо­ единением части расхода.

Исследования течений с переменной массой проводи­ лись на установке, состоящей из внутренней перфори­ рованной полиэтиленовой трубы диаметром 37 мм с от­ верстиями диаметром 4 мм вдоль трубы по четырем образующим в шахматном порядке через 5 см, симмет­ рично расположенной в стеклянном трубопроводе диа­ метром 200 мм и длиной 16,74 м. Питание установки осу­ ществлялось из открытого резервуара высотой 1,1 м. Измерение давления по длине внутренней и внешней труб проводилось пьезометрами, расположенными сим­ метрично относительно отверстий в стенках перфори­ рованного трубопровода (рис. 1). Соединение места от­ бора давления с пьезометрами осуществлялось посред­ ством резиновых трубок. Для измерения скоростей во внутренней трубе применялась специально сконструиро­ ванная напорная трубка, выполненная из стальных по­ лых игл диаметром 2 мм. Исследования М. М. Сапож­ никова [4] показали, что измерительные приборы не вы-

91

зывают нарушения поля скоростей, если диаметр напор­ ных трубок в 10—12 раз меньше диаметра исследуемой трубы. Это условие было выдержано при конструирова­ нии трубки. Положение датчика скорости фиксировалось внутри рабочей трубы через 5 мм.

_L

на i,s 1,1 (г os оа ал на (» « № 1.1

По длине перфорированной трубы скорости измеря­ лись в семи контрольных сечениях в нескольких сериях опытов. В первой серии опытов отсутствует сток в на­ ружном трубопроводе, во второй — сосредоточенный сток через отверстие в наружном трубопроводе, в треть­ ей — сосредоточенный сток через два отверстия в наруж­ ном трубопроводе, расположенных симметрично относи­ тельно перфорированной трубы. Расход воды на выходе из трубопроводов замерялся мерным треугольным водо­ сливом и проверялся весовым способом. При выполне­ нии каждого опыта расход поддерживался постоянным.

По результатам экспериментальных исследований по­ строены эпюры скоростей для внутреннего перфориро­ ванного трубопровода (рис. 1). Из анализа эпюр скоро­ стей следует, что для участка трубопровода, где он работает как распределитель воды (второе и третье конт­ рольные сечения), эпюра имеет такой же вид, как и для

92

потока в обычных трубах круглого сечения. На участке, где перфорированный трубопровод работает как сборник воды, закономерности изменения скоростного поля от­ сутствуют. На рис. 1 представлена эпюра скоростей в седьмом контрольном сечении, находящемся на этом

Рис. 2. Распределение расходов и давлений по длине в двухконтур­ ной установке при отсутствии стока из наружного трубопровода:

участке. Как видно из рисунка, в большинстве опытов максимальная скорость не проходит по оси движения как для распределителя. Это объясняется ускорением потока в пристенном слое вследствие увеличения расхо­ да через дырчатую поверхность трубопровода.

По эпюрам определялась средняя скорость и расход по длине перфорированного трубопровода (рис. 2). Усло­ вие неразрывности в двухконтурной установке удовлет­ воряется, если расход постоянный в совпадающих попе­ речных сечениях внутреннего и наружного трубопроводов. Поэтому, построив кривую расхода по длине внутреннего перфорированного трубопровода, представлялось воз­ можным определить характер изменения расходов по длине наружного трубопровода: Q„ — Q0— QB. Перете­ кание жидкости между трубами наблюдалось с помощью индикатора через наружный стеклянный трубопровод.

93

В результате проведенных опытов установлено, что изменение расхода по длине в каждом рассматриваемом поперечном сечении внутренней трубы для всех сечений описывается показательной функцией:

где Qx — расход в рассматриваемом сечении пер­ форированной трубы;

L — общая длина трубопровода;

Q0 — расход в начальном сечении;

х— расстояние от начала трубы до рас­ сматриваемого сечения;

иkz— коэффициенты, характеризующие собой интенсивность распределения и притока воды.

Уравнение (1) описывает движение жидкости в пер­ форированном трубопроводе на участке, где имеет место раздача воды, а уравнение (2) — на участке, где он работает как сборник воды.

Решая совместно систему двух уравнений, определя­ ем координату точки х и расход в сечении Qx, общие для обеих зависимостей, характеризующих собой переход от распределителя к сборнику.

Рассмотрим характер изменения коэффициентов k\ и k2. При изменении расхода, протекающего по наруж­ ной трубе (вторая и третья серии опытов), параметр kx не изменяется, в то время как k2, характеризующий ис­ течение жидкости в конечном участке дырчатого тру­ бопровода, претерпевает существенные изменения. Ко­ эффициенты ki и k2являются постоянными для данного способа подвода и отвода воды из трубопровода вне за­ висимости от создаваемого напора (рис. 3), но находят­ ся в прямой зависимости от коэффициента перфорации р, равного отношению площади отверстий к площади се­ чения трубы (таблица).

Данные получены при использовании перфорирован­

94

Рис. 3. Распределение расходов по длине в перфорированном тру­ бопроводе при различных напорах:

проследить за изменением давлений в трубопроводах. Как показали опыты первой серии (в случае отсутствия стока из наружного трубопровода (рис. 2), давление по всей длине наружного трубопровода остается посто­ янным, а в дырчатом трубопроводе давление постепенно уменьшается до тех пор, пока не сравняется с давлени­ ем в наружном трубопроводе. Этот участок характери­ зуется раздачей воды дырчатой трубой. На участке, где давление будет меньше, чем в наружном трубопроводе, внутренний трубопровод начинает работать как сборник воды. Резкое падение давления на этом участке обуслов­

95

ливается в основном потерей напора на образование ско­ рости течения. Как видно из рис. 2, изменение расхода вдоль трубы сопровождается изменением давления и, следовательно, по соотношению давлений во внутреннем и наружном трубопроводах можно определить характер эпюры расхода в двухконтурной установке.

На основании выполненных исследований возможно определить изменение напора по длине перфорирован­ ного трубопровода. Последовательность определения пьезометрического напора сводится к следующему: по зависимости (1) определяется средняя скорость по дли­ не. После этого находится производная скорости по длине

Полученное значение подставляется в уравнение уста­ новившегося движения потока с переменным вдоль пути расходом [3]

где h — пьезометрический напор для горизонтальной трубы;

v — средняя по сечению скорость основного по­ тока;

hw — потери напора по длине между сечениями, определяемые по формуле Дарси:

к— коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляется для гидравлических гладких труб по формуле Блазиуса:

,0,3164

Подставив (3) и (5) в уравнение (4) после интегрирова­

96