автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические характеристики переходных процессов в напорных трубопроводах с воздушно-гидравлическими колпаками и уравнительными резервуарами

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГВДРОМШОРАТИВКШ ИНСТИТУТ

РГЗ 00

- 1 МАЙ 1393

На правах рукописи

БАКИЕВ ФАХШДДИН НУРВДЦИНОВИЧ

УДК 532.542:532.529.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В НАЛОШЫХ ТНУБОПРОВОДАХ С ВОЗДУШНО-ЩДРАВЖЧЕСКШИ КОЛПАКАМИ И УИВНИТЕЛЬНЬШ РЕЗЕРВУАРАМИ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993 г.

Диссертационная работа выполнена в Московском гидромелиоративном институте.

- доктор технических наук, профессор Алышев В.Ы.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Защита состоится

Г-Р-*

- доктор технических наук, профессор Ыишуев A.B.

- кандидат технических наук, доцент Ильин С.П.

- институт "Росгипроводхоз"

" (^¿-efr/w ¿£—1993 г.

в час, на заседании специализированного совета К 120.16.01

в Московском ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, И-550, ул.Прянишникова, 19, аудитория 1-201.

С диссертацией мсисно ознакомиться в библиотеке МГМИ. Автореферат диссертации разослан ^¿'/а/М 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд.техн.наук, доцент

С.Е.Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРЖГЕгаСЖКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Современное водоснабжение, гидротехника, теплоснабжение и другие отрасли народного хозяйства, которые отличаются наличием сложных напорных трубопроводных систем, требуют повышения эффективности их работы. Главными проблемами при проектировании и строительстве трубопроводных систем становятся оптимизация, уменьшение затрат на строительство, надежность в эксплуатации.

Трубопроводные системы оборудованы регулирующими устройствами, при изменении режимов работы которых в напорных трубопроводах гидросистем возникает неусгановившеееся движение жидкости. Так, например, при внезапной остановке насосных агрегатов в тру-• бопроводной системе возникает гидравлический удар, являющийся частным случаем напорного неустановившегося движения жидкости. Поэтому вопрос о надежной и безаварийной эксплуатации напорных трубопроводных систем является актуальным.

Для защиты напорных трубопроводных систем от гидравлического удара часто применяются воздушно-гидравлические колпаки (ВГК), эффективность работы которых зависит от объема воздуха в ВГК. Поэтому определение объема воздуха в ВГК и его размеров, необходимых для гашения гидравлического удара при заданных начальных параметрах, является одной из основных задач расчетов неустановившегося напорного движения жидкости в трубопроводных системах.

Для расчета неустановившегося напорного движения жидкости в настоящее время существуют математические модели переходных процессов, что позволяет получить теоретические результаты, близкие к результатам экспериментальных исследований. Однако, не всегда наблюдается достаточно точное совпадение результатов расчетов и экспериментов, что зависит от многих факторов. В связи с этим возникает необходимость перехода к более точным математическим моделям переходных процессов.

Из вышеприведенного следует актуальность теоретических и экспериментальных исследований переходных процессов в трубопроводах с ВГК с учетом теплообмена при расширении-сжатии воздуха в ВГК и необходимость разработки методики расчета. Также актуальными являются исследования по разработке методики расчета непризматических уравнительных резервуаров и получение прибли-

3.

женных формул для определения размеров ВПК-гасителей гидравлического удара.

Цель и задачи исследований. Данная работа посвящена решению актуальной задачи неустановившегося напорного движения жидкости в трубопроводах - исследование гидравлических характеристик переходных процессов в напорных трубопроводах с ВГК, разработке методик расчета ВГК и непризматических уравнительных резервуаров.

Основная цель работы: на основе теоретических и экспериментальных исследований уточнить математическую модель и методику pat чета переходного процесса в трубопроводе с ВГК с учетом термодинамических процессов в камере гасителя; получить приближенные формулы для определения размеров ВГК; разработать методику расчета переходного процесса в трубопроводе с непризматическим уравнительным резервуаром.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи исследований:

- выполнить численные эксперименты на ПЭВМ по расчету переходных гидравлических процессов в напорном трубопроводе с ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия с целью получения приближенных формул для определения размеров ВГК;

- выполнить экспериментальные исследования переходных гидравлических процессов в напорном трубопроводе с ВШ с целью определения экстремальных значений напора при переходном процессе и проверки достоверности полученных приближенных формул;

- провести экспериментальные и теоретические исследования и уточнить методику расчета переходного процесса в напорном трубопроводе с ВГК с учетом термодинамических процессов в камере гасителя;

- разработать методику расчета переходного процесса в напорном трубопроводе с непризматическим уравнительным резервуаром.

Научная новизна данной работы заключается в том, что на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

- разработаны диаграммы для определения максимального и минимального значений напора в трубопроводе с ВГК при переходном процессе;

- получены приближенные формулы для определения характеристического параметра ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия;

- экспериментально проверена достоверность предложенных формул и модификации методики расчета переходного процесса в трубопроводе с воздушно-гцдравлическиы колпаком с учетом термодинамических процессов в ВГК и подтверждена их адекватность физическому процессу;

- разработана методика расчета переходного процесса в напорном трубопроводе с непризматическим уравнительным резервуаром.

Практическая ценность полученных результатов исследований заключается в следующем:

- получены приближенные формулы для определения основной характеристики ВГК, что позволяет повысить точность инженерных расчетов;

- уточнена и экспериментально подтверждена методика расчета переходного процесса в напорном трубопроводе с ВГК с учетом теплообмена в нем;

- разработана методика расчета переходного процесса в трубопроводе с непризматическим уравнительным резервуаром.

Разработанные методики могут найти применение при проектировании напорных систем.

Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов, полученных в работе, подтверждается вполне удовлетворительным совпадением результатов расчетов по разработанным методикам с результатами экспериментальных исследований и результатами расчетов по методикам других исследователей, а также применением при выполнении исследований современной электронной измерительной аппаратуры.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке мероприятий по защите от гидравлического удара водопроводных сетей Хорезмской области республики Узбекистан и города Дашхауз республики Туркменистан.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 7 статьях, опубликованных в открытой печати,и доложены на научно-технических конференциях МГШ (1991...1992 гг).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы (134 наименований) и приложений (отдельный том) и содержит 154 страниц машинописного текста, 73 рисунка, и I таблицу^

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, цель, научная новизна исследований, практическая ценность рассматриваемой работы.

В первой главе приводится краткий обзор работ по исследованиям переходных гидравлических процессов в напорном трубопроводе с ВЕК, анализируются методы расчета и формулы для определения объема воздуха в ВГК, предложенные различными исследователями, дается оценка достоверности существующих методик расчета и формул.

Исследованиям переходных гидравлических процессов в напорных, трубопроводах с BIK посвятили свои труды В.М.Алышев, М.М.Андрияшев, Н.Н.Аршеневский, Н.И.Барановский, Л.Бержерон, В.И.Блохин, В.й.Бук-реев, О.Ф.Васильев, К.П.Вишневский, В.И.Виссарионов, Л.Г.Геращенко, М.Т.Гладышев, В.А.Гурин, А.Г.Джварщейшвили, В.С.Дикаревский, Н.Е.Жуковский, У.У.Жонкобилов, Л.Б.Зубов, Н.А.Картвелишвили, Г.И.Кирмелашвили, Б.Ф.Лямаев, Л.И.Махарадзе, А.Н.Мороз, Л.Ф.Ыош-нин, В.А.Носова, П.М.Слиеский, А.В.Суворов, А.Е.Татура, В.М.Уса-ковский, В.А.Фартуков, Й.А.Чарный, П.П.Чимидов, Н.Гразе, Еваняе-листи, Д.Людовиг, Л.Маджаров, Ц.С.Ыартин, М.Монье, М.Мураджиев, Н.Николов, В.Стритер, Шнидер, Д.Фокс и другие исследователи.

В настоящее время наиболее перспективными являются ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия. Однако, отсутствие формул для более точного определения размеров ВГК и объема воздуха в нем препятствуют, наряду с другими причинами, более широкому применению ВГК на практике. Аналитический обзор показал, что все существующие методы расчета имеют ограниченный диапазон применения. Анализ также показал, что не имеется достаточных и надежных формул для определения объема воздуха в ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия для случая, когда ВГК установлен в конце напорного трубопровода.

Во второй главе излагается методика расчета ВГК-гасителя гидравлического удара с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия. Предлагаемая методика базируется на "жесткой" модели неустановившегося напорного движения жидкости.

В данной главе приводятся результаты численных экспериментов на ПЭВМ и приближенные формулы, полученные диссертантом для определения объема воздуха в ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия для случая, когда ВГК установлен в конце напорного трубопровода.

Численные эксперименты на ПЭВМ были проведены в широком диапазоне изменения безтазмерньк параметров, входящих в расчетные уравнения (уравнения Бернулли с инерционным напором, неразрывности и состояния газа).

Основные уравнения, по которым выполняется расчет переходного гидравлического процесса, представленные в безразмерном виде, имеют ввд:

<2>

Формулы (I) и (2) справедливы как для расчета ВГК с демпфирующим сопротивлением, так и для расчета ВГК "направленного" действия. В последнем случае зависимость (I) преобразована к виду: а) при повышении давления в колпаке

б) при понижении давления в ко.чпаке

(3)

При заданных значениях 6*, Ьтр, . Ь.^ , kg^ tj. к начальных условиях _

1? = % = I J с

по зависимостям (1)-(4) можно расчитать процесс колебания давления в ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия и определить экстремальные значения безразмерного напора в колпаке. L L ^

Задача определения П-Иах и flmin. и Z-miп. 5 была

решена на ПЭВМ IBM PC/AT на языке Паскаль. Безразмерные параметры <0 , ihft, hp < , , Tljo изменялись в следующих пределах: <0 = 0,025 ± 1,0 (с шагом дб* =0,0g5); hrp.= 0 * 0,8 (с тагом

0,1); = 0 *J,0 (с шагом = 0,1); ^ = 0 f 1,0 £с шагом д^=0,1); ^=0,00.

Расчеты были выполнены при £ = 1,0; ^ = 1,2 и £ = 1,41. По результатам расчетов на ПЭВМ составлены таблицы и построены диаграммы значений

( \ ) (6); ) (7);

. где Ьтчг 1 СЮ), I - hn.ii (II), на основе которых

разработаны методики расчета ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия при мгновенном закрытии регулирующего устройства, установленного в конце напорного трубопровода. На рис, I и 2 в качестве примера приведены две из приводимых в диссертации диаграмм.

Результаты численных экспериментов на ПЭВМ для конструкции ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия, установленного в конце трубопровода, с целью обобщения были аппроксимированы. Аппроксимация проводилась по методу наименьших квадратов для функции трех переменных.

Все данные, полученные в результате численных экспериментов, вводились в ПЭВМ и по специальной программе определялась функция заданной степени аппроксимации (в данном случае степень аппроксимирующей функции была принята равной четырем), дающая минимальную среднеквадратичную невязку. После чего определялись максимальные абсолютные погрешности, которые давали полученные формулы.

Ниже приведены приближенные зависимости, полученные в результате аппроксимации и справедливые при = 1,2 : I) Для расчета ВГК с демпфирующим сопротивлением: а) формула для определения (Э по значению 2тм : _

б = - 0,01276219 + 0,01607325 - 0,06418816-Ь£> + 0,05334176-^

- 0,01540093 ■ - 0,04265510 • к0 - 0,051736-к 1+ 0,09698760-£-|ъ

12- ^ тг

- 0,03464661-^ %.+ 0,04068103'Птс„+ 0,05576358 • [у Нт^-0,04091619

Т^о -Тиг„- 0,02329253_-Ту - 0,01267861 -(ц.* 0,13199735 + 0,35861976 '¿п«^ - 0,5222534 0,00550025

+ 0,44673310 -¿т«- - 0,16055378 02512786

Ь?. - 0,15914488 0,04736269 -¿^Л^?. + 0,03905782

+ 0,07489538 2^.- 0,10467024 -^,¿+ 0,00819439^^-

штчхкч ! I

с /п

hîP0 а8 0.7 15 Q5 G.4 13 02.il 1 03 И 12 13 Ü¿ ߣ 15 1? Г.? Гл

Рис. 1

¿ш

mf

0.55Q

ZiTiSX

4-1-

\Ж51

#43

ÜE25r

i i ! I i ! i MM'W 1

¿¿¡Uá

Л.

U

ï=1.2;

J с-я

: -.'.¿.и

\\\\; Пй;=иО, ГИ02—J.U ;

1 i ~Ш>у;/у//У//,ъ\ \ N

Х^К

Ш

п /пс

U.1ÍJ ^УУЛУ/.

FIT» OB 0.7 £5 С5 SA 13 С2 Gl 03 11 02 К 0.4 15 16 0.7 15 Ья

Рис.2.

- 0,13803256 -Ц, V + 0,02732017 Zj^-Jy- 0,02723819.

• ~ 0,02176394 0,01341408 + 0,01719143. ' ZU'tp, + 0,00188563 -ZL. (12)

Среднеквадратичная погрешность аппроксимации 0,73£. Максимальная абсолютная погрешность аппроксимации 0,0272. Максимальная относительная погрешность аппроксимации 2,79«.

б) Формула для определения б* по значении 2mift :

= 0,07298307 - 0,8344442 - 0,3837258-0,10408723-^ -

- 0,04342577 - 0,1968606+ 0,05980549 T^fty + 0,19263024-

• Jt'/ц - 0,11200071 0,165515350,11143156 Ь^-

- 0,14581098 • ihjb - 0,09292641 - 0,03672216

- 0,95970703 -¿f^ + 2,02637633 ¿m* 68648292 -£mi4.J^, +

+ 0,20267357 -I*,. IL + 2,76605584 •Zni.-lbfr- 1,76974264 ■Zmylj.'

• bj, + 0,58433246 • Ц 58762457 •Zn.m-ffy, +0,79261071-

• 0,49403641 -i^-lir.J 5,1059299 - _

- 1,03743697 -ZW -_0,04833793 -¿L-hl '_2,43380765 ¿L. h^ + 0,3881549 0,71543888 9,84005808-

• 2U + 2,88741138 -¿L/L + 3,74872184 'Zli,- jlTf.+ 9,58531475.

■ -zl- (I3)

Среднеквадратичная погрешность аппроксимации 0,38^. Макси-«альная абсолютная погрешность аппроксимации 0,0186. Макимальная »носительная погрешность аппроксимации 1,9155. 2. Для расчета ВГК "направленного^ действия, а) Параметр <3 по значению 2та* определяется по формуле :i2). __ _ б) Формула для определения <0 по значению 2min при L, = 0,00; Т Т2.

Ç - 0,01640215 + 0,02132012 - 0,03711083 • + 0,02725416.

- 0,00567645 0,02398784 Jty - 0,13882345 H^jhp. +

• 0,11600152 • j kfa- 0,02975235 • hi, - 0,17042043 -Jhr. +

■ 0,26295306 -Tt^-hV - 0,08328763 •]£, + 0,27917177 -

• 0,15754151 •ly'fhp. - 0,14890684 -j^-J),42798915

• 0,28873968 •£„;„■ L- 0,11875739 + 0,01199623 "Z^+

+ 1,37398417 •¿щ.-ц-Ьту. - 0,34576638 • - • [¡^ + 0,09354309^ •Т^Лг 0,60584082 + 0,24773918 - ¿1^+0,37051216

3,48008406^+ 0,68301268 ^Л^ 0,02034091

• ^ * 0,49830925 0,24235433 • 2т.п^, 0,52805037^

• 21т 7,87923009 0,1265701 •]!*,„.^+2,0599107-Й/Д + 8,75485903 • (14)

Среднеквадратичная погрешность аппроксимации 0,30$. Максимальная абсолютная погрешность аппроксимации 0,0201. Максимальная относительная погрешность аппроксимации 2,06%.

По формулам (12), (13) и (14) можно определить объем воздуха в ВГН с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия при прочих заданных данных.

Получены также зависимости для определения характеристического параметра (о для случая, когда = 1,0 и ^ = 1,41, которые приведены в диссертации.

В третьей главе описывается лабораторная установка, измерительная аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований ВГК.

Экспериментальные исследования были проведены в лаборатории гидравлики МГЖ.

Напорный трубопровод длиной (_, = 253,47 м состоит из стальных труб с внутренним диаметром с1 = 70 мм и толщиной стенок 3,0 мм. Вода подается в трубопровод центробежным насосом марки 4К-6. В начале и конце трубопровода установлены напорные баки, обеспечивающие создание различной геодезической высоты нагнетания, а также защиту насосного агрегата от гидравлического удара. Для регистрации рабочего давления при установившемся движении жидкости эти баки были оборудованы образцовыми манометрами марки МО 1227, класса точности 0,15. Гидравлический удар, начинающийся с волны повышения давления (положительный гидравлический удар), создавался за счет быстрого закрытия пробкового крана, установленного в конце трубопровода. Закрытие пробкового крана осуществлялось соленоидом марки КЫП-4АУЗ, который обеспечивал время закрытия крана от 0,04 до 0,08 с. Расход при установившемся движении жвдкости измерялся электромагнитным .расходомером марки ИР-61, предварительно протарированным объемным способом.

В конце напорного трубопровода перед пробковым краном ус«и зался воздушно-гидравлический колпак объемом 0,042 был оборудован образцовым манометром марки МО 1227 класса тошо сти 0,15 для измерения давления в ВГК при установившемся движении Скости. Для записи процесса изменения деления при переходном процессе применялись датчики давления ДЦ-Ю которые работа ли в комплекте с индуктивным двухкакальнкм преобразователем ВД-2И. Сигналы с датчика давления ДЦ-Ю через ВД-2И и распределил ннй щиток поддались на осциллограф Н071.1 и записывались на шотобу-

""" Для^измерзния уровня води в ВПС при переходной процессе применялся ыалоикерционный датчик да«« ^"^Г^чш последующей запись* сигнала на ^тобумаге осциллограф Датчик уровня и датчик давления ДЦ-Ю предварительно -р,ф-ались н о бедственно на ВГК. Для записи сигналов на фотобумагу УФ-67 ио пользовались шлейфовые гальванометры М040-300. Необходимый объем воздуха в ВГК создавался с помощью кс^.рессора Ыодвл^ Ьп-ЕЗоУЧ).

Основной целью лабораторных исследований ВГК иериментальное определение экстремальных значений напора двавлическом ударе в первом периоде колебаний и ^еркадосто Арности полученных формул (12) и (13) для определения С ^у тем сравнения расчетных значений 6 со значений <0 , получен

ними по данным Основные параметры

Был проведен ряд серий эксп-рим-нюо. ^

установки при этом изменялись в следующих пределах. 29000• С1'3; Н = 30 * 90 м; 0,725 - 2,175 м/с; .^=0,08.0 5о.

По сопрограммам с помощью тарировочных графиков определялись экстремальные значения напора в первом периоде Экспериментальные значения характеристического параметра О оп~

ределялись по зависимости

¿г • (15)

а расчетные - по йюрмул^ (12) и (13), полученным в результате числешыз^экспершеэтов, при подстановке в них экспериментальных

^Тавн^ны^^з экспериментальных и расчет^— б позволил сделать вывод об удовлетворительном их совпадении,

что доказывает достоверность предлагавшее формул (см.рис.З).

В четвертой главе приводятся результаты исследований переходных гидравлических процессов в напорной трубопроводе с ВГК с учетом теплообмена в камере гасителя. Экспериментальные исследования были проведены в лаборатории гидравлики МГЩ на установке, схема которой описывается в третьей главе. Основная цель исследований - изучение процесса сжатия-расширения воздуха в камере гасителя во время переходного процесса и уточнение методики расчета переходного процесса с учетом теплообмена в камере ВГК.Разные исследователи придерживаются различного мнения о законе сжатия-расширения воздуха в камере ВГК. Так, А.А.Сурин, И.А.Чарный, В.С.Дикаревский, А.Е.Татура, А.Ф.Мошнин, К.П.Вишневский и другие считают, что процесс сжатия-расширения воздуха в ВГК является изотермическим и принимают коэффициент политропы £ * I. Другие исследователи, например, Н.Е.Жуковский, Л.Бервкерон, Б.Ф.Лямаев, В.М.Алышев, Д.А. Фокс, Д.йвдевиг, А.Н.Мороз принимают ^ £ I (либо 1,2, либо 1,41). Экспериментальные исследования, проведенные В.М.Алышевым, П.П.Чимвдовым, А.Н.Морозом, также указывают на отличие процесса от изотермического.

При проведении экспериментальных исследований для измерения температуры воздуха в ВГК во время переходного процесса в верхней части ВГК дополнительно устанавливалась термопара (медь-константен» диаметр слоя 0,5 од). Характеристика термопар! - линейная.

В результате анализа осциллограмм переходного процесса в трубопроводе с ВГК установлено, что температура воздуха в колпаке при переходном процессе изменяется в широких пределах, что позволяет сделать однозначный вывод об отличии процесса сжатия-расширения воздуха в колпаке от изотермического.

При анализе осциллограмм было также установлено, что объем воздуха в ВГК при одном и том же давлении (напоре) при переходном процессе изменяется во времени, что объясняется отдачей части энергии воздуха окружающей среде (см.рис. 4).

В связи с этим можно сделать вывод, что применение традиционного уравнения у

р-М = СОМ* (Ш,

для расчетов переходного процесса в трубопроводе с ВГК является не вполне корректнда, хотя расчеты могут давать удовлетворительные результаты.

-HO

7!

Пои

м га uoa «и ядая я» »wo гэдго

PMS. 4 r-ç«j«K имен«** моим Н= 3t

( 48 • iSÜX'o?, -ft-«/«J

/к* ,ím

m o.Di от шц и ¡щ ом он ais 0,20 an он ess он

Р HR. я

В работе модифицируется разработанная В.М.Алытевым и А.Н.Морозом методика расчета нестационарного гидравлического процесса в трубопроводе с ВГК, установленным в начале трубопровода, учитывающая процесс теплообмена в колпаке. В данном случае рассматри - . вается и решается задача о переходном процессе в трубопроводе с ВГК, установленным в конце напорного трубопровода перед задвижкой.

Для описания поведения воздуха в ВГК при переходном процессе по аналогии с Н.Гразе, В.М.Алышёвш и А.Н.Морозом было применено уравнение сохранения энергии квазиидеального газа, записанное в дифференциальной форме:

Ж = _y.J_.iM _ _М_ _<1а (17)

Количество теплоты определялось по формуле Ныотона-Рихмана

О. = (18)

Коэффициент теплоотдачи 6~ вычислялся из критерия Нуссельта

м— (19>

Критерий Нуссельта определялся, следуя теории подобия, по обобщенным формулам для воздуха при свобоно-конвективном теплообмене в зависимости от расположения в пространстве теплообмен-ной поверхности.

При уточнении методики переходного гидравлического процесса с учетом теплообмена в камере гасителя в системе резервуар-напорный трубопровод - ВГК использовались уравнение Бернулли с инерционным напором, уравнение неразрывности в узле соединения ВГК с напорным трубопроводом и уравнение (17). Данные уравнения решались по методу конечных разностей. В результате получены следующие зависимости:

1и= Ч^+Е (Нга-Н*-5Ч№1); (20)

Нм- (21)

Щ _ (22)

где А ,

По формулам (20), (21) и (22) можно при заданных начальных

условиях выполнить расчет переходного процесса в напорной системе с ВГК, а затем построить расчетные диаграммы 1)" = ^("Ь ), H = H(t), W=W(Í) , TB«TB(Í}a Q=Q<4).

Решение задачи реализовано на ПЭВМ по модифицированной программе "Волна". В результате расчетов получены расчетные диаграммы f = tCi ), Н = Н (Í ), W=W(Í )> Q= Q. (i ) и T0 = TB(-|¡ ). Расчетные значения величин 'f, Н, V/, Твсопостав-лялись с экспериментальными значениями, полученными при проведении лабораторных исследований. Скорость iN t(i ) в трубопроводе в заданный момент времени t определялась по осциллограмме vv= web).

Сопоставление результатов расчетов на ПЭВМ с результатами экспериментов показало (см.рис. 5-9), что предлагаемая методика достоверна и вполне удовлетворительно соответствует физике процесса. Так, например, значения максимального Ну^ и минимального Нщ|д напоров, найденные в результате расчетов по данной методике, отлетаются от экспериментальных значений этих величин на 1-5%, а отклонения напоров Н = Н (£) во времени не превосходят 10 %.

Максимальные значения напора в первом периоде колебаний сопоставлялись такие с результатами расчетов по методике В.М. Алышева (при J!.= 1,2) и формуле Энгера (при ■£= I).

При расчете по методике В.М.Алышева получено вполне удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений напора . Расчет по формуле Энгера дает заниженные значения Ну^ (более > 50 %).'

Таким образом, сопоставительный анализ результатов физических и численных экспериментов позволил сделать вывод о достоверности предлагаемых математической модели и методики гидравлического расчета переходного процесса в трубопроводе с ВГК.

В пятой главе излагается разработанная нами методика расчета переходных процессов в трубопроводах с непризматическими уравнительными резервуарами - гасителями гидравлического удара.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями переходных гидравлических процессов в трубопроводах с уравнительными резурвуарами и разработкой методов расчета таких процессов применительно к системам деривационных ГЭС с напорной деривацией занимались И.А.Чарный, И.В.Егиазаров, А.Ф.Мостков» В.Г.Аранович,

ИЧи/с) «В=1.«5 ИсВ, 625288 НЦ.: 58.»_»1=8.828

I ^ *Чтис - 1.45 и»1П =-8.86

0; I-1-1-1-:—1—1 г 111-г ■ I-1-1 1 ■ I-1-1-1— 1 -I-?

|.м «.«5 с.и о.к с.а о.к ил: о.;? с-.ч о.» о.с о .¡г о.?} о.«* «.«> » 1

Рис, 5. Изменение скорости в трубопроводе

»(я)

«»=1.45

им.вгзгав

8М: 58.8

£1=8.829

№мх = 96.87

Ник = 56.71

- «1си1»<10Л

♦ ехрмчнии

а.»? о.в 6.11 ъ.ч с.21 «л? о.п <м7 «.с о.ц о.к с.?ч о.» о.88 с.а; к }

Рис, .6 . Изменение напора в ВТК

о - по Ашиеву Б.М. л- по Энтеру

. г

I и<и )

М0=1.45

«8=8. 825280

Н8Й= 58.8

11=6.828

' --1-г—т-1 . I- I I-г- ,,

' е.ое (.11 о.|5 о.и с.и 0.32 (.г о .с ал- о.г; е.и с.о а.ч о.?» е.» ьа ».и (.я ю 1

Рис. 7. Изменение обьема воздуха в ВТК

Рис. 8. Изменение температуры воздуха в ВТК

HCJ/c)

Utel.45

Hfcß.B25208

HBÍte S3.В

М=В.820

Рис. 9. Изменение теплового потока в ВГК

И.А.Картвелишвили, Я.К.Любимцев, Г.И.Кривченко, А.А.Морозов, Ф.Ф.Губин, Д.А.Догададзе, Б.А.Буниатяв, И.И.Агроскин, М.А.Черня-тин, Б.А.Орлов, Н.Ф.Ыанджавидзе, Н.Н.Аршеневский, В.М.Алышев,

УоЙ » Х'Ушк » 1 СаЦгПО «Э.бйдоп и многие другие ученые.

Стремление сократить объем резервуара или уменьшить значения экстремальных напоров и амплитуд колебаний уровня воды в резервуаре приводит к переходу к более сложным типам уравнительных резервуаров, одним из которых является непризматический уравнительный резервуар (НУР), позволяющий более гибко управлять переходными гидравлическими процессами, особенно в случае, если резервуар данного типа оборудовать обратными клапанами.

Предлагаемая методика расчета непризматических уравнительных резервуаров без "диафрагмы" и "направленного" действия базируется на "жесткой" модели неустановившегося напорного движения жидкости, наиболее распространенной при решении задачи о колебаниях масс.

Рассмотрена система, состоящая из резервуара, напорного трубопровода, непризматического уравнительного резервуара и задвижки.

При мгновенном закрытии задвижки в напорном трубопроводе возникает переходный гидравлический процесс, сопровождающийся колебаниями уровня воды в непризматическом уравнительном резервуаре.

В результате совместного решения уравнения Бернулли с инерционным напором и уравнения неразрывности для узла соединения НУР с напорным трубопроводе»! при заданных начальных условиях получены зависимости для определения экстремальных значений напора в первом периоде колебаний для системы с НУР без "диафрагмы". Эти зависимости приводятся в диссертации.

В результате решения аналогичных уравнений для НУР "направленного" действия получены уравнения для определения экстремальных значений напора в первом периоде колебаний:

(23)

где

А^-АМ'Ж

[-)-А(Ц)] А-(/н)

1 -

<-А (к.4*) ]Г

Мк.-к*)

(25)

А ¡К^ЫУ]

.. ' [ 1 -А (Ьтт~,

(26)

которые применимы также для определения размеров НУР при прочих известных данных.

Из уравнения (23) при % ( ктах ) по (25)

по методу иттерации можно определить значение Итм • /1А'1|Р/

Из уравнения (24) при ( ) по (26) и М«-(/+Йо«Л/ по методу иттерации можно определить значение . '

С помощью полученных уравнений и форлул можно определить также размеры НУР при заданном значении или (|т;п и прочих известных данных.

(А-Ир)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан и реализован на ПЭВМ способ расчета ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия.

2. В результате обширных численных расчетов на ПЭВМ получены таблицы и диаграммы для определения экстремальных значений напора при переходном процессе в напорном трубопроводе с ВГК.

3. Получены приближенные формулы для определения объема воздуха в ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" дейст-зия.

4. Уточнена, реализована на ПЭВМ и экспериментально подтверждена методика расчета переходного процесса в напорном трубопро-¡оде с ВГК с учетом теплообмена в камере гасителя.

5. Подтверждена достоверность предлагаемых формул для рас-

чета ВГК с демпфирующим сопротивлением и "направленного" действия путем сравнения результатов численных и экспериментальных исследований.

б. Разработана методика расчета переходного процесса в напорном трубопроводе с непризматическим уравнительным резервуаром. Предложены формулы и уравнения для определения экстремальных значений напора при гвдравлическом ударе в напорной системе с непризматическим уравнительным резервуаром без "диафрагмы" и.."направленного" действия, с помощью которых можно также определить размеры НУР.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Алышев В.Ы., Бакиев Ш.Н. Расчеты переходного процесса в напорном трубопроводе с воздушно-гидравлическим колпаком с демпфирующим сопротивлением, установленным в конце трубопровода. -М., 1992 г., 63 с.-Рукопись представлена Московским гидромелиоративным институтом. Деп.в ЩШИ Концерна Водстрой. Рефэрат опубликован в н.т.сб."Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов "в стране и за рубежом".Вып.№4, 1992 г.

2. Алышев В.М., Бакиев Ф.Н. Переходные гидравлические процес сы в напорном трубопроводе с непризматическим уравнительным резер вуаром. -М., 1992, 13 с.-Рукопись представлена Московским гидроме лиоративным инстигутом.Деп.в ЦБНТИ Нонцерна Водстрой. Реферат опу бликован в н.т.сб."Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за рубежом".Вып.№4,1992

3. Алышев В.М., Бакиев Ф.Н. Переходные гидравлические процес сы в напорном трубопроводе с непризматическим уравнительным резер вуаром "направленного" действия.-М.,1992, 12 с,-Рукопись предстаг лена Московским гидромелиоративным институтом. Деп.в ЦБНТК Концерна Водстрой. Реферат опубликован в н.т.сб."Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за-рубежом". Вып.М, 1992 г.

4. Алышев В.М., Рыбаков И.В., Бакиев Ф.Н. Расчеты гидравлического удара в водопроводной сети. -М.,1992,40с.-Рукопись представлена Московским гидромелиоративным институтом.Деп.в ЦЕНТЫ Кон Водстрой. Реферат опубликован в н.т.сб."Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за рубежом. Вып.М, 1992 г.

5. Алышев В.М., Бакиев Ф.Н. Приближенные формулы для определения объема воздуха в воздушно-гидравлическом колпаке с демпфирующим сопротивлением. -М., 1992 г., 7 с.-Рукопись представлена Московским гидромелиоративным институтом. Деп.в ЦБНТЙ Концерна Водстрой. Реферат опубликован в н.т.сб."Мелиорация земель,строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за рубежом". Вып. ЙЦ, 1992 г.

6. Бакиев Ф.Н. Диаграммы для расчета воздушно-гидравлического колпака "направленного" действия. -М.,1992, 19 с.-Рукопись представлена Московским гидромелиоративным институтом. Деп. в ЦБНТИ Концерна Водстрой. Реферат опубликован в н.т.сб."Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за рубежом". Вып. М, 1992 г.

7. Бакиев Ф.Н. Формулы для расчета воздушно-гидравлических колпаков "направленного" действия.-М.,1992 г.,13 с. -Рукопись представлена Московским гидромелиоративным институтом. Деп. в ЦБНТИ Концерна Водстрой. Реферат опубликован в н.т.сб. "Мелиорация земель, строительство и эксплуатация водохозяйственных объектов в стране и за. рубежом". Вып. М, 1992 г.

Основные условные обозначения: Н0- напор при установившемся движении жидкости; Ноа- абсолютный напор при установившемся движении жвдкости; Нга - абсолютный статический (геодезический) напор; }ц - потери напора в напорном трубопроводе при установившемся движении жидкости при скорости ; [и - потери напора в соединительном трубопроводе с демпфирующим сопротивлением при скорости ; средняя по живому сечению скорость в напорном трубопроводе при установившемся движении жидкости; Ф - средняя по живому сечению скорость в напорном трубопроводе при неустановившемся движении кидкости в момент времени ; - объем воздуха в воздушно-рццравлическом колпаке (ВГК) при абсолютном напоре Нра; \А/ -объем воздуха в ВГК при абсолютном напоре Н; ■(; - время; ^ = -5езразмерный абсолютный напор в рассматриваемом_сечении напорного трубопровода в момент безразмерного времени 1; = "{¡/у ; Ф = - безразмерная средняя по живому сечению скорость в

■¡апорном трубопроводе в момент безразмерного времени ;

-тр - безразмерные потери напора_в напорном трубопро-зоде при установившемся движении жидкости; ■ - безраз-

мерные потери напора в соединительном трубопроводе с демпфирующим сопротивлением при безразмерной скорости Ц = 1,0;

XV= —^ - безразмерный объем воздуха в колпаке в момент времени ^ Натох- максимальный абсолютный напор в напорной системе в первом периоде колебаний; Нат1л - минимальный абсолютный напор в напорной системе в первом периоде колебаний; Т - период колебания давления в напорном трубопроводе с ВГК; 1]гпа1 = ^пку -безразмерный максимальный напор в первом периоде колебании;0

Нт1п= " ц^"1 ~ безразмерный минимальный напор в первом периоде колебаний; У - показатель адиабаты; ^- коэффициент политропы;

О. - количество теплоты (4 глава); ^ - поверхность теплообмена; ТБ - температура воздуха; ДТ - разность температур: ^-характерный размер;' ^ - коэффициент теплопроводности воздуха;

^ - ускорение свободного падения; д^ - шаг интегрирования по времени; О, - расчетная площадь поперечного сечения резервуара при напоре Н = Н ; ^ - коэффициент, определяющий геометрию резервуара; А и Пр - безразмерные параметры.

Февраль 1993 г. Отдел ОП РНИСиНП.Заказ № 5.Тираж 100