УЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ НАПОРА В РАСЧЕТАХ НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ
Действительные условия движения воды в напорных водоводах, работающих в натурных условиях, как правило, в большей или меньшей степени отличаются от той расчетной схемы, которая была положена в основу при выводе формул Колбрука (15) и Альтшуля (17) и предусматривала лишь учет потерь напора на трение по длине рассматриваемого участка водовода. В натурных водоводах наряду с потерями на трение по длине всегда имеются дополнительные потери напора, вызванные влиянием ряда факторов, которые должны учитываться особо. Дополнительные потери, как правило, включаются в значения потерь напора на трение (а следовательно, в λ). В то же время дополнительные потери напора не могли быть предусмотрены и в действительности не предусматриваются формулами для определения коэффициента гидравлического трения λ. Рассмотрим влияние некоторых факторов на характер кривых сопротивления λ = f (Re).
Обозначим расчетные условия работы водовода индексом 1, а действительные условия его работы - индексом 2. Тогда значения отношений
Если принять по Ф.Л. Шевелеву увеличение λ за счет стыков равным 1,18, то шероховатость kэ возрастает в 2 раза. Основываясь на этом, Е.Я. Соколов рекомендует для учета влияния стыков на гидравлическое сопротивление трубопроводов увеличивать расчетное значение эквивалентной шероховатости в 2,5 раза.
Для оценки влияния стыков на сопротивление водоводов будем считать, что стыки расположены равномерно по длине водовода и что в пределах расстояния между ними имеется участок, где возмущения, вызванные предыдущими стыками, уже затухли и движение может рассматриваться как стабилизированное.
Полная потеря напора на участке водовода длиной l с количеством стыков т будет равна
где d - диаметр трубопровода; δ - эквивалентная высота сварного стыка. Значения коэффициента ζст, подсчитанные по формуле (49), приведены в приложении.
Рис. 20. Влияние стыков на гидравлическое сопротивление трубопроводов:
Для водоводов с технической шероховатостью в области гладкого трения и переходной области коэффициент λ убывает с возрастанием Re, а коэффициент f остается постоянным, поэтому коэффициент ψ должен возрастать, т.е. кривая λ = f (1g Re) должна становиться более пологой. В квадратичной области сопротивления, когда λ = const, должен быть постоянным также и коэффициент ψχ. Описанный характер зависимости λ = f (lg Re) для заданной относительной шероховатости показан на рис. 20.
Волнистость стенок водовода. По предложению Хопфа принято делить внутренние поверхности трубопроводов на шероховатые и волнистые. Ограниченная точность изготовления инженерных сооружений приводит к тому, что дно и стенки водоводов не являются в продольном разрезе прямыми линиями. В первом приближении можно считать, что профиль стенки имеет волнистый характер. Обозначая высоту ’’волны” hв и длину ее lв, приходим к выводу, что коэффициент гидравлического трения должен зависеть от отношения hв/lв. Учитывая, что, по данным Ю.К. Фогеля, hв/lв<1/100, можно предположить, что обтекание стенки имеет безотрывный характер и влияние волнистости допустимо. оценить путем увеличения длины обтекаемой поверхности.
Потери напора на трение в трубе с волнистой поверхностью будут равны
Рис. 22. Влияние отклонения формы трубы от круглого сечения на пропускную способность водовода
Рис. 21. Влияние изменения диаметра на пропускную способность водовода
Используя приближенную формулу для периметра эллипса
Рис. 23. Влияние изменения шероховатости на пропускную способность водовода
Рис. 24. Влияние отклонения трассы водовода от прямой линии на шероховатость
Наличие скоплений воздуха в водоводах. Наличие воздуха в напорных водоводах не только может вызвать вибрацию и коррозию водовода, уменьшение КПД турбин, но может также явиться причиной заметного возрастания потерь напора (уменьшения расхода) вследствие образования воздушных мешков в наиболее высоких местах водовода. Потери, вызванные воздушными мешками, по внешним признакам аналогичны потерям, связанным с увеличением шероховатости стенок, несмотря на то, что причины этих потерь совершенно различны и методы борьбы с ними также совершенно разные. Однако данные для количественной оценки влияния воздушных мешков на потери напора в водоводах до сих пор отсутствуют.
14. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОВОДОВ В НЕКВАДРАТИЧНОЙ ОБЛАСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для длинных водоводов общие потери напора принимаются равными потерям по длине (2), т.е.
Таблица 7. Значения удельного сопротивления Акв для круглых водоводов
В табл. 8 приведены значения поправок на неквадратичность при движении воды в водоводах, найденные из зависимости
