ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРОСТОГО ТРУБОПРОВОДА (ПРОДОЛЖЕНИЕ): ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ ВОДОСПУСКНЫЕ ТРУБЫ. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ВАКУУМА
1°. Напорная горизонтальная труба. Перепад восстановления. Аэрация напорного потока. Рассмотрим здесь, в порядке исключения, не круглую, а прямоугольную трубу весьма большой ширины. Будем считать, что с верховой стороны трубы установлен плоский затвор 3 (рис. 5-8), с низовой стороны устроен прямоугольный отводящий канал шириной, равной ширине трубы b, в связи с чем получаем так называемое плоское движение жидкости («плоскую задачу»; см. стр. 95).
Рис. 5-8. Напорная труба
Предположим, что нам заданы: глубины воды с верховой и низовой сторон трубы: hB и hH, а следовательно, и разность уровней Z = hB — hH; высота трубы а; ее длина l; открытие затвора е. Требуется определить расход Q.
Поскольку в данном случае имеем простой трубопровод постоянного сечения, причем истечение происходит под уровень, то для расчета пользуемся формулами (5-36') и (5-37). Коэффициент расхода трубопровода т согласно (5-37) переписываем в виде
;
где для прямоугольной трубы [см. формулу (4-69)]
; (5-48)
причем здесь (см. § 4-12, п. 1°)
; (5-49)
что касается , то
где при достаточно большой глубине (сравнительно с а) величину вых можно принять равной 1,0; коэффициент сопротивления вх согласно формуле (4-134) равен:
(5-50)
где 0 — коэффициент вертикального сжатия струи, равный 0 ≈ 0,6 (см. далее § 12-13);
Приведенные формулы позволяют вычислить щ, а затем и Q по зависимости (5-36’).
Так же просто, без подбора решается и задача по определению Z при заданных Q и a. Величину же а при заданных Q и Z приходится находить подбором или методом последовательного приближения.1
Перепад восстановления2 . Согласно формуле (4-136) при выходе в бассейн больших размеров (рис. 5-8),3 когда v3 ≈ 0, весь скоростной напор потока в трубе теряется (переходит в потерю напора на выход):
(5-51)
Такое положение мы выше и имели, когда считали вых = 1,0 и hн весьма большим сравнительно с высотой а трубы.
В случае, когда hн не столь велико (v3≠0), величина вых получается меньше единицы [см. (4-139)]4, причем не весь скоростной напор потока в трубе теряется затрачивается на потерю напора hвых). На рис. 5-9 представлена картина истечения, отвечающая этому случаю. Как видно из чертежа, здесь вместо формулы (5-51) получаем:
(5-52)
где ZBC — отрицательный («обратный») перепад свободной поверхности, т. е. высота поднятия этой поверхности на длине между сечениями 2 — 2 и 3 — 3. Величина ZBC характеризует также увеличение удельной потенциальной энергии при переходе от сечения 2 — 2 к сечению 3—3. Поэтому можно сказать, что в случае, когда скорость в отводящем русле достаточно велика, скоростной напор в трубе при выходе в нижний бьеф частично переходит в удельную потенциальную энергию или, как говорят, восстанавливается (в потенциальной форме).
Отрицательный перепад ZBC называется перепадом восстановления. Из зависимости (5-52) с учетом формулы Борда (4-138) и (4-139) получаем:
(5-53)
Как видно, при расчете по формуле Борда перепад ZBC. равен нулю только тогда, когда υ3 = 0;1 в остальных случаях, когда υ3> 0,
ZBC > 0.
Ведя в данном случае расчет расхода Q по формулам (5-36') и (5-37), приходится величиной входящей в (5-37), учитывать потери напора только до сечения 2 — 2;под величиной же Z, входящей в (5-36'), следует в этом случае понимать перепад Z' (рис. 5-9):
Z' = Z + ZBC, (5-54)
поскольку именно Z' представляет собой разность уровней воды в сечениях 1—1 и 2 — 2. Отсюда вытекает необходимость знать величину ZBC.
Предполагаем, что величины hВ, hн а, / нам заданы.
Общий метод отыскания перепада восстановления ZBC заключается в совместном решении двух уравнений (рис. 5-9):
1) уравнения Бернулли, которым соединяем сечения 1-1 и 2 — 2, причем получаем
(5-55)
где φ — обозначение:
(5-56)
2) гидравлического уравнения количества движения,которым соединяем сечения 2 — 2 и 3—3, причем получаем (считая, что в сечениях 2 — 2 и 3 — 3 давлениераспределяется по гидростатическому закону, и пренебрегая силами внешнего трения на длине потока между сечениями 2 — 2 и 3 — 3):
(5-57)
что дает
(5-58)
где
(5-59)
Решая систему двух уравнений (5-55) и (5-58), получаем:
(5-60)
где
(5-61)
Вычислив по формуле (5-60) величину h2 (см. рис. 5-9), находим ZBC:
(5-62)
В случае круглой трубы диаметром Dрешение по определению ZBC аналогично. Подвеличиной σ при этом решении следует понимать отношение
Где ω — площадь сечения трубы; b0 — ширина транзитной струи в сечении 3 — 3 (значение b0 должно быть задано).
Как показывает анализ величины ZBC, учет ее при, расчете напорных труб имеет смысл когда
в противном случае величиной ZBC следует пренебрегать, считая Z' = Z.
Аэрация напорного потока. При входе в трубу (рис. 5-8) получаем водоворотную область А, характеризуемую, как отмечалось ранее, интенсивной турбулентностью, а следовательно, и интенсивной пульсацией давления. Кроме того, в области А обычно получается большой вакуум, который обусловливает опасную кавитацию (могущую вызвать кавитационную эрозию затвора и стенок трубопровода).
Повышенная пульсация давления в области А в некоторых случаях может вызвать опасную вибрацию затвора. С тем чтобы снизить вакуум, а также вибрацию затвора, в область А по особому аэрационному каналу В подводят воздух, который, смешиваясь с водой (в виде отдельных «пузырьков»), создает непосредственно за затвором воздушно-водяную смесь; эта смесь, являясь сжимаемой, обусловливает снижение вибрации затвора (пузырьки воздуха являются как бы компенсаторами, демпферами).
При проектировании аэрационного канала В приходится определять размеры его поперечного сечения. При скоростях движения воздуха v < 70 м/с можно пренебрегать сжимаемостью воздуха и рассчитывать его движение по зависимостям, относящимся к жидкости. Здесь только при определении λ (см. § 4-11) следует применять соответствующее значение v (относящееся к рассматриваемому газу).
Разность давлений, под действием которой воздух по каналу должен поступать1 в зону А, может быть, найдена с помощью построенной пьезометрической линии Р-Р.
При решении данного вопроса приходится устанавливать величину расхода воздуха, обеспечивающую достаточную аэрацию потока. Этот вопрос, как и некоторые другие, связанные с проектированием входа потока в трубу, рассматривается в курсе гидротехнических сооружений.
2°. Напорная вертикальная труба. Будем рассматривать истечение в атмосферу (см. рис. 5-10,а, относящийся к идеальной жидкости,2 и рис. 5-10,6, относящийся к вязкой, реальной жидкости).1
Плоскость сравнения 00 намечаем на уровне выходного сечения трубы 3 — 3.
Напорную линию Е — Еи пьезометрическую линию Р — Р(отстоящую от напорной линии на расстоянии ) в случае вертикальной трубы приходится строить, откладывая напоры и другие величины в горизонтальном направлении от некоторой вертикальной «плоскости отсчета» 0'0', как показано на чертеже.
Для реальной жидкости (рис. 5-10,6) скоростной напор
(5-63)
где все обозначения указаны на чертеже.
Рис. 5-10. Напорная вертикальная труба |
Из формулы (5-63) получаем обычную зависимость для скорости истечения (5-34), причем расход можем найти по формуле (5-35).
Данный трубопровод, так же как и сифон, характеризуется наличием вакуума. Вакуум в некотором сечении n – n (рис. 5-10,б)
где — полная потеря напора от сечения 1—1до сечения п — п; zn — показано на чертеже.
Максимальное значение вакуума получим в сечении 2 — 2; принимая и пренебрегая сжатием струи в сечении 2 — 2, имеем
Как видно, с увеличением длины трубы l максимальный вакуум растет.
При больших величинах в районе сечения 2 — 2 получаем относительно большой объем кавитационных областей (заполненных парами воды с давлением ),2 причем струя воды в сечении 2 — 2 разрывается, и получившийся разрыв заполняется насыщенными парами воды.
Предельная максимальная длина трубы, характеризуемая отсутствием упомянутого разрыва, будет
Из формулы (5-35) следует, что с увеличением длины трубы (а следовательно, с увеличением Н) увеличивается также расход Q. Максимальное значение Qмакс получаем при длине l, несколько большей lпр, когда в сечении 2 — 2 возникает разрыв струи, причем истечение под действием напора h происходит непосредственно из тогда в пространство, где давление равно рнп (возникающее в трубе в районе сечения 2 — 2).
При дальнейшем увеличении l расход остается постоянным, равнымQмакс.
Величина допустимого вакуума в формуле (5-66) может приниматься той же, что и для сифонов (см. § 5-5).
3°.Различные виды вакуума. Определение понятия вакуума было дано в § 2-7. Из сказанного о вакууме на стр. 118—120, 220—224 видно, что следует различать:
1) максимальный вакуум, получающийся при заданных условиях в том или другом месте трубы; для данной точки пространства, занятого движущейся жидкостью, можно иметь в виду (при турбулентном режиме): а) осредненный (во времени) максимальный вакуум; б) мгновенный (актуальный) максимальный вакуум; в) максимальный пульсационный вакуум (положительный или отрицательный), представляющий собой разность соответствующих мгновенного и осредненного вакуумов в данной точке;
2) предельный вакуум, т. е. вакуум, отвечающий давлению р = pн.п. (см. § 1-5); для данной жидкости при заданной ее температуре нельзя получить вакуум больше предельного (в связи с возникновением в жидкости при давлении р = рнп кавитационных разрывов); при турбулентном движении, характеризующемся пульсацией вакуума, мгновенный (актуальный) вакуум не может быть больше предельного;
3) допустимый вакуум: а) или по условиям отсутствия опасной кавитационной эрозии стенок труб; б) или по условиям получения достаточного коэффициента полезного действия насоса; в) или по условиям отсутствия разрыва струи в трубопроводе и т. п.
Б. ДЛИННЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
§ 5-7. ПРОСТОЙ ТРУБОПРОВОД
Напомним (см. § 5-3), что в случае «длинных» трубопроводов местными вгтерями напора пренебрегаем; кроме того, считаем, что линия Е — Е совпадает с линией Р — Р.
1°.Истечение под уровень (рис. 5-11). Пьезометрическая линия Р — Р она же и напорная линия Е — Е) должна иметь вид, показанный на чертеже.
Чем больше скорость в трубе, тем больше потеря напора, а следовательно, и величина J. Поэтому при D1<D2 пьезометрический уклон J1 должен быть больше пьезометрического уклона J2.
Разность горизонтов жидкости в сосудах Z при истечении под уровень равна потере напора:
(5-67)
Где — потери напора по длине соответственно для 1, 2 и 3-й труб, показанных на чертеже.
В случае длинных труб hl определяется по формуле (5-2). Учитывая эту зависимость, (5-67) переписываем в виде
(5-68)
где К1, К2, К3 — модули расходов для 1, 2 и 3-й труб; l1, l2, l3 — длины этих труб; Q — расход, одинаковый для всех трех труб.
Вынося Q2 за скобки, вместо (5-68) получаем
(5-69)
Рис. 5-11. Простой длинный трубопровод Рис. 5-12. Простой длинный трубо-
переменного диаметра (J1 > J2) провод с соплом
откуда
(5-70)
Пользуясь формулами (5-69) и (5-70), решаем различные задачи. Например, зная Z и имея заданным трубопровод, находим Q, или, имея заданными Q, l, К, находим Z и т. п.
2°. Истечение в атмосферу (рис. 5-12). Превышение горизонта жидкости в сосуде над выходным сечением трубы
(5-71)
В случае длинных труб, пренебрегая вообще местными потерями напора, приходится иногда все же учитывать одну местную потерю — потерю в выходном сопле , где скорость может быть весьма велика (благодаря малой площади поперечного сечения выходного сопла). В связи с этим зависимость (5-71) для трубопровода, представленного на рис. 5-12, следует переписать в виде
(5-72)
Выражая потерю напора в сопле обычной зависимостью
(5-73)
где - соответствующий эмпирический коэффициент сопротивления, формулу (5-72) представляем в виде
(5-74)
или в виде
(5-75)
где
(5-76)
Вместо зависимости (5-75) можем написать
(5-77)
Если сопло нам задано, то величины и следует считать известными. Пользуясь формулой (5-77), решаем следующие задачи:
1) задан трубопровод (т. е. даны D и l) и задано Q; требуется найти H;
2) задан трубопровод и задано H; требуется найти Q;
3) заданы Q, H, l; требуется найти D. В этом случае находим сперва модуль расхода К; затем по этому модулю устанавливаем D.
Если сопла в конце трубопровода нет, то в этом случае обычно скоростным напором в выходном сечении можно пренебречь. При этом задачи решаются еще проще.
§ 5-8. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ
Отдельные трубы могут быть соединены последовательно или параллельно.
1°. Последовательное соединение. В этом случае (рис. 5-13) потеря напора от сечения А до сечения В будет
(5-78)
Рис. 5-13. Последовательное соединение труб |
Рис. 5-14. Параллельное соединение труб
2°. Параллельное соединение. На рис. 5-14 показаны два примера параллельной работы труб. В этих случаях формула (5-78) оказывается неприменимой: потери напора в отдельных трубах при параллельном их соединении складывать нельзя.
Представим на рис. 5-15 схему рис. 5-14, а в увеличенном масштабе. Здесь мы имеем «сложный трубопровод». К узлам А и В этого трубопровода (где одна подводящая труба переходит в три трубы и где эти три трубы снова переходят в одну трубу) мысленно приключим пьезометры П1и П2.Потеря напора1 на пути от узла Адо узла Вбудет
(5-79)
где и — напоры соответственно в узлах А и В (рис. 5-15).
С другой стороны,
где — потери напора соответственно на длине 1-й, 2-й и 3-й труб; величины же (Не)А и (Не)B в зависимости (5-80) можно рассматривать гак напоры в начале и в конце каждой трубы (поскольку скоростным напором мы пренебрегаем).
Рис. 5-15. К расчету параллельного соединения длинных труб
Учитывая (5-79) и (5-80), можем записать:
Как видно, потери напора во всех трубах, соединенных параллельно, одинаковы. Формулу (5-81) для расчета можно преобразовать следующим образом. Так как
(5-82)
то вместо (5-81) имеем:
(5-83)
Соотношения (5-83) дают три уравнения
(5-84)
Дополнительно можем написать четвертое уравнение:
(5-85)
Если дано Q и заданы размеры отдельных трубопроводов (l и D), имеем систему четырех уравнений (I)—(IV) с четырьмя неизвестными: Q1 , Q2, Q3, .
Решим приведенную систему уравнений. Подставляя в уравнение (IV) уравнения (I), (II), (III), получаем:
(5-86)
или
(5-87)
или
. (5-88)
Зная из (5-88) , по (5-84) находим .
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 1619;