автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Гидравлические исследования стыковых соединений железобетонных труб с целью конструирования наиболее рациональной конфигурации стыков

Р Г Б ОА

2 9 ДЬК «ел?

Па правах рукописи

БЕНАББУ РАШИД

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ТРУБ С ЦЕЛЬЮ КОНСТРУИРОВАНИЯ НАИБОЛЕЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ СТЫКОВ

Специальность 05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1997

Работа выполнена на кафедре «Водоснабжение и водо-отведение» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. С. ДИКАРЕВСКИЙ

Научный консультант —

кандидат технических наук, профессор П. П. ЯКУБЧИК

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. М. КУРГАНОВ;

кандидат технических наук, доцент И. П. ПЫЛАЕВ

Ведущая организация —АОЗТ «Спецтоннельстрой».

на заседании диссертационного совета К 114.03.04 в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 199031, С.-Петербург, Московский пр., 9, ПГУПС, ауд. 8-108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

30

Защита состоится

час

Автореферат разослан « . . . » декабря 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Е. Г. ПЕТРОВ

Обшая характеристика работы.

Актуальность темы. В России и за рубежом потребность в трубах для строительства трубопроводов различного назначения возрастает ежегодно. Трубопроводы широко используются в коммунальном и промышленном водоснабжении для подачи воды потребителям, а также при орошении сельскохозяйственных угодий. В Российской Федерации поставлена задача сокращения применения при капитальном строительстве труб из черных металлов и широкого внедрения неметаллических труб.

Железобетонные трубы, благодаря своим высоким эксплуатационным качествам, занимают одно из первых мест в общем балансе потребления труб, вытесняя традиционно применяемые для сооружения водоводов стальные и чугунные трубы. Пласт-массоых труб выпускается еще недостаточно, поэтому они не всегда могут заменить металлические, к тому же они, как правило, дороже железобетонных. Асбестоцементные трубы изготавливаются только очень малых диаметров. Они весьма хрупки и до 35% их выходит из строя вследствие образования трещин в процессе перевозки, укладки и эксплуатации. В трубопроводах из стальных труб обычно не полностью используются прочностные характеристики материала, из которого они изготовлены. Экономически это не оправдано, так как ведет к большому перерасходу стали. В связи с этим применение таких труб в водопроводах с напорами менее 1.5МПа не рекомендуется. Металлические (стальные, чугунные) трубы подвержены быстрому зарастанию образующимися в воде отложениями, что уменьшает их пропускную способность. Последнее приводит к увеличению потребления электроэнергии до 40%.

К достоинствам железобетонных труб относятся: большая долговечность в эксплуатации, значительное сокращение расхода металла по сравнению с металлическими, возможность индустриального изготовления из местных дешевых материалов. Лучшие гидравлические характеристики железобетонных труб по сравнению с металлическими позволяют снизить затраты на электроэнергию, расходуемую на преодоление потерь напора. Поэтому такие трубы во всем мире находят широкое применение.

Железобетонные трубы являются строительными конструкциями, к которым кроме требований по прочности, водо! ,'про-ницаемости и минимальной шероховатости внутренних стенок, предъявляются также требования к качеству стыковых соединений, Гидравлическое сопротивление стыков служит одним их критериев, определяющих потери напора в трубопроводе, следовательно, величину эксплуатационных затрат при перекачке

жидкости. Влияние стыковых соединений на общее гидравлическое сопротивление в ряде случаев достаточно велико, так как на трубопроводе их большое количество (для стандартных труб длиной 5 метров в среднем число стыковых соединений составляет до двухсот на один километр длины трубопровода). Железобетонные напорные трубы больших диаметров (500-1600 мм) пропускают весьма большой расход воды и доля местных сопротивлений в стыках может быть значительной. Проблема является особенно острой в связи с тем, что к настоящему времени по существу отсутствует теория определения потерь напора в подобных стыковых соединениях. Неизвестны достаточно точно и конкретные величины коэффициентов местных сопротивлений. При экспериментах пока не удается отделить потерн напора по длине от потерь напора в стыковых соединениях.

Для железобетонных водоводов в основном используются виброгидропрессованные и центрифугированные трубы, рассчитанные на давление 1.5, 1.0 и 0.5Мпа.

Из анализа распределения рабочих давлений в водопроводах следует, что более чем в 70% водоводов давление не превышает 1МПа, следовательно, железобетонные напорные трубы по прочности вполне удовлетворяют большинство потребителей.

Отделом ВНИИ железобетона выполнено технико-экономическое сравнение затрат на 1км водоводов из стальных и железобетонных труб. Установлено, что железобетонные оказываются экономичнее стальных на 31-42% в зависимости от диаметра и класса железобетонных труб.

Цель работы и задачи исследования. Совместное проведение теоретических и экспериментальных исследований имеет целью определить коэффициент местных сопротивлений для стыкового соединения "раструб-втулка" С, = /(/ О), где I - ширина зазора, О - диаметр трубы. Знание процессов, происходящих в стыковом соединении, и строгое количественное обоснование позволит выявить величину потерь напора в стыках путем конструктивных мероприятий мероприятий уменьшить.

Практическим выходом в результате проведения этих исследовании являются рекомендации в ГОСТ на величину геометрических размеров кольцевой ниши в стыке и на нормативные размеры отклонений.

Использование этих рекомендаций позволит значительно снизить потери напора в стыках, что обусловит большую экономию электроэнергии при эксплуатации трубопроводов из железобетонных напорных труб.

Научная новизна:

• анализ результатов исследования стыкового соединения позволил определить значение коэффициента гидравлического сопротивления стыков С,;

• с уменьшением диаметра трубы значение коэффициента гидравлического сопротивления в стыках железобетонных труб возрастает и наоборот;

« отношение суммарного гидравлического сопротивления в зазорах к гидравлическим сопротивлениям по длине труб в ряде случаев достигает 17%, особенно при малых диаметрах труб.

Практическая значимость. Результатом работы над диссертацией могут явиться рекомендации в ГОСТы о величине геометрических размеров кольцевой ниши в стыке железобетонных напорных труб.

Публикации н апробация работ. По теме диссертации опубликована одна н .умная работа. Результаты работы докладывались на неделе наукн ПГУПСа.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературных источников. Работа изложена на 93 страницах. Библиография включает 33 источника.

Содержание диссертационной работы по главам.

Перзая глава содержит краткий обзор способов производства железобетонных напорных труб и исследовании по определению гидравлических сопротивлений в стыках. Рассмотрены способы производства работ по сооружению напорных водоводов и наружных водопроводных сетей из труб различного материала, приведены их достоинства и недостатки.

Рядом преимуществ отмечено использование железобетонных труб. Путем сравнения прочностных характеристик, долговечности, а также сопоставлением затрат на обеспечение технико-экономических показателей, выполненных отделом экономики ВНИИ железобетона, доказано, что применение труб из железобетона наиболее эффективно.

В зависимости от допустимого гидравлического давления железобетонные трубы подразделены на низконапорные, рассчитанные на рабочие давления до 0.5МПа, и напорные, способные выдерживать давления до 1.5МПа. По конструктивным признакам низконапорные и напорные трубы делят на следующие классы: ненапряженные (из обычного железобетона) трубы; трубы из предварительно напряженного железобетона; трубы с водонепроницаемым металлическим цилиндром и трубы без цилиндра.

По величине расчетного внутреннего давления железобетонные напорные трубы согласно ГОСТ 22000-86 подразделяют-

з

ся на трубы первого (1.5МПа), второго (1.0МПа) и третьего (0.5МПа) классов.

В зависимости от технологии изготовления и согласно приведенной классификации железобетонные напорные трубы имеют различные конструкции. Для строительства водопроводов в основном используются виброгидропрессованные и центрифугированные трубы диаметром 500... 1600мм.

Исключительно ответственными элементами в железобетонных трубопроводах являются стыковые соединения, так как возникающие в них при течении воды гидравлические сопротивления заметно влияют на общие потери напора в трубопроводе.

Одна из основных причин появления потерь напора в стыках состоит в несоосности стыкового соединения, то есть в несоосности раструбного конца уложенной трубы и втулочного конца укладываемой трубы. При этом нарушается структура установившегося турбулентного потока, увеличивается пульсация скоростей. В отношении таких труб несоосность проявляется в образовании скачков или выступов на внутренней поверхности стыкуемых изделий и в образовании асимметричной кольцевой ниши. Это приводит к картине, в какой-то мере аналогичной потерям напора по длине, которые являются следствием наличия неровностей на внутренней поверхности труб.

Несоосность обусловлена двумя группами причин.

Во-первых, несоостность раструбных и втулочных частей самих труб частично объясняется их некачественным изготовлением. Это вызвано отсутствием нормативных требований к качеству стыка и большим допуском на размеры внутренних диаметров раструба и втулки. В частности, максимальный кольцевой зазор, который составляет 46...72мм, образуется при максимальном положительном допуске на размер внутреннего диаметра раструба и отрицательном допуске на размер втулочного конца; что касается скачков или выступов в соединении "раструб-втулка", то при кольцевом зазоре 34мм скачок по диаметру составляет 9.2мм, что весьма существенно.

Во многих нормативных документах приведены так называемые предельные отклонения в размерах железобетонных напорных труб, но они, как правило, не соответствуют реальному положению дел. Другой причиной несоосносги стыкового соединения "раструб-втулка", как в плане, так и в профиле, является некачественное шлифование внутренних поверхностей раструбов труб. Причина - в чрезмерном стачивании одних кромок по сравнению с другими во время обработки на шлифовальном станке. Такого недостатка можно избежать, если при выполне-

нии данной операции применять более точные приборы для нивелирования, в частности, лазерные геодезические приборы.

Ко второй группе, вызывающей несоосность стыкового соединения "раструб-втулка", относятся особенности укладки самих труб при их монтаже. Так, например, заводское изготовление труб может быть выполнено весьма качественно и стыковое соединение по внутреннему диаметру строго соосно. Тем не менее, после укладки труб в траншею применяемыми сегодня весьма несовершенными способами и их последующей стыковки, имеют место значительные нарушения соосности. Сложные гидрогеологические условия в северных районах привели к тому, что наиболее приемлемой оказывается укладка трубы ковшами экскаваторов, стоящих у кромки траншеи. При такой технологии механизм вдвигания одной трубы в раструб уложенной трубы обладает существенными недостатками. Движение ковша при повороте и поднятии стрелы, а также собственный поворот ковша осуществляются по траектории, представляющей собой дугу. В процессе укладки трубы ковш двигается "вперед-вверх", причем вертикальной составляющей этого движения избежать нельзя. Следствием такого непрямолинейного перемещения трубы в раструб другой трубы является то, что верхняя часть уплотни-телыюго кольца оказывается более сильно обжатой, нежели нижняя. Как следствие возникает несоостность стыкового соединения (рнс.1).

Местные потери напора в стыке возникают и в тех случаях, если стыковое соединение "раструб-втулка" по внутреннему диаметру является абсолютно соосным. Это связано с наличием кольцевой ниши, которая предусмотрена самой конструкцией гибкого стыка. Явления возникновения гидравлических сопротивлений а подобных кольцевых нишах изучены недостаточно. Здесь можно отметить, что основную количественную долю в местные сопротивления вносит процесс внезапного расширения потока при переходе от диаметра трубы к кольцевой нише, имеющей больший поперечный размер (днаметр).Такие местные сопротивления, как известно, определяются по формуле Борда для внезапного расширения потока. В случае входа воды в кольцевую нишу расширение нельзя назвать полным и внезапным, поэтому представляется возможным внесения в формулу Борда поправок, учитывающих "смягчение" процесса расширения потока в стыковом соединении. Установлено, что в стыковых соединениях имеет место не только расширение потока. Входя под напором в кольцевую нишу большого диаметра, поток воды доходит до уплотнителыюго кольца и начинает двигаться в противоположном направлении. При это давление и иише больше, чем в

самой трубе. Эго способствует образованию вихрей. Процесс вихреобразовання в нише и возможное в ней встречное движение потоков приводит к значительным потерям напора на трение. Этот процесс усугубляется в случае наличия несоосности.

Продолжение первой главы содержит анализ существующего на настоящее время состояния исследуемого вопроса. Впервые влияние различных видов стыков труб на общее сопротивление трубопровода было изучено профессором Ф.А.Шевелевым в начале 50-х годов. Полученные результаты свидетельствовали о том, что кривые сопротивлений труб с различной частотой стыков на единицу длины сохраняет ту же форму, которая характерна для соответствующих труб без стыков. Этот вывод позволил рассматривать стыки, как местные сопротивления, которые накладываются на сопротивления движению воды в трубах.

На кафедре "Водоснабжение и водоотведение" ПГУПСа проведены многолетние и всесторонние исследования факторов, влияющих на потери напора в железобетонных напорных трубах. При этом наиболее полно исследованы потери напора по длине трубопроводов, вместе с тем, не до конца рассмотрен вопрос о местных потерях напора в стыках.

В настоящее время накоплен экспериментальный материал по исследованию течений жидкости внутри углублений. Г.Н.Ткачук на аэродинамическом стенде провел исследования влияния важного параметра 5/1 (б - высота углубления, I - длина углубления), на сгруктуру потока в нишах прямоугольной формы, при этом была установлено, что в случае 8// = 2.5 картина течений неустойчива и число вихрей колеблется от двух до трех. При дальнейшем увеличении 5// главный вихрь не меняет своего положения, а число вторичных вихрей возрастает и определяется приблизительно по соотношению п - (5//)-1, где 6// -целое число.

Если определять потери напора И в стыковом соединении как это повсеместно принято по формуле для местных потерь напора

2

й = (11)

то необходимо установить величину коэффициента С,, а также параметры, от которых он зависит.

По результатам экспериментов доцента Ю.А.Смирнова представлена опытная кривая, выражающая зависимость похерь напора в стыковом соединении железобетонных труб от скорости движения потока.

i

Рис.1.

э

г

Несоосносгь сШкового соединения в виде "выступов"

I-раструб; 2 - атулха; 3 - резиновое кольцо

Анализ результатов предварительных экспериментов свидетельствует, что потери напора в одиночном стыке железобетонных труб обычно не превышают 2.5мм при условии качественного соединения труб, при этом суммарная величина потерь напора в стыках приблизительно равнялась 8% от общих потерь напора в трубопроводе большой длины. С увеличением скорости доля потерь напора в стыках к общим потерям в трубопроводе уменьшается.

В результате изучения ранее выполненных исследований были сформулированы указанные выше задачи настоящей работы.

Во второй главе изложены исследования, выполненные для более глубокого изучения процессов, происходящих в стыках железобетонных труб, и для конкретизации задач, поставленных и затем решаемых в диссертационной работе.

Для проведения экспериментов использован созданный в лаборатории кафедры "Водоснабжение и водоотведеине" стенд, представляющий собой напорный трубопровод диаметром 50мм и специальный раздвижной стык (типа "раструб-втулка"). Во время исследований по изучению закономерностей движения воды в стыках железобетонных труб на лабораторной установке предусматривался входной прямой участок перед стыком. Средняя скорость движения воды в трубе составляла от 0.5м/с до 3.5мУс. Опыты производились в диапазоне чисел Рейнольдса от /?е=10000 до /?<.'= 180000. При проведении экспериментов вода подавалась центробежным насосом, имеющим следующие техни-

ческие характеристики:

• марка насоса ЗК-6Л

« частота вращения рабочего колеса 2900 об/мин

• подача насоса 40 м7час

• напор насоса 41.5 м

• мощность электродвигателя 79 кВт

• высота //„„,. 6 м

Подающие трубопроводы имели вентили, с помощью которых можно была регулировать расходы, поступающие в исследуемую трубу. Расход воды на установку определялся объемным способом с помощью мерного бака обьемом И'-28л, на дне которого имелась сливная труба диаметром £>=50мм с запорным вентилем. Для измерения уровня воды бак оборудован водомерным стеклом, снабженным миллиметровыми делениями.

Отбор давлений производился в следующих местах: перед исследуемым стыком, в месте соединения труб и над зазором между раструбом и втулкой. Для этого в продольном сечении тру-

бы до н после стыка были высверлены в общей сложности 9 отверстий.

Для измерения перепада давления применялись дифференциальные пьезометры, имеющие шкалу с миллиметровым делением. Перед началом работы дифференциальный пьезометр проверялся на герметичность.

Температура воды измерялась лабораторным термометром с ценой деления 0.1 "С. Измерения производились в диапазоне температур 6°С от до 8°С.

Задача экспериментов состояла п определении коэффициента гидравлического сопротивления в стыках железобетонных напорных труб:

(2.1)

где I - ширина зазора в стыке труб; В - диаметр трубы.

Средняя скорость воды во время движения по трубам определялась по формуле неразрывности, т. е. как частное от деления расчетного расхода £) на площадь поперечного сечения трубы оз.

Для определения потерь напора в исследуемом стыке перед началом проведения экспериментов закрывалась задвижка на подающем воду трубопроводе и при отсутствии расхода дифференциальный пьезометр заполнялся водой. При этом проверялось наличие воздуха в соединительных шлангах. Если а трубках обнаруживались пузырьки воздуха, то они удалялись с помощью кранов, расположенных в местах присоединения к прибору резиновых шлангов. Затем от ручного насоса по резиновым шлангам и латунной трубке, соединяющей концы стеклянных трубок дифференциального пьезометра, подводился сжатый воздух с давлением большим, чем давление в трубках, так, чтобы уровень воды в трубках установился на нуле. Для определения потерь па-пора открывалась регулирующая задвижка и при разных расходах воды уровень воды в трубках устанавливался на разных высотах. При этом:

р£ № рг

(2.2)

где А(, А2»• • ч - потери напора на участках трубы, мм; р|,р2,...,р„ - гидродинамическое давление в трубках пьезометра.

По разности напоров в пьезометрах измерялись потери напора в исследуемом стыке, и к расчету принималось среднеарифметическое значение.

ь

Сирость, к/г

Рис.2.1 Потеря игпора в гапяскмости стекорссти соды при различной длпнз зазора

После выполнения серии опытов производился контроль правильности показании прибора. Для этого, при отсутствии расхода, вода в измерительных трубках дифференциального пьезометра должна была устанавливаться на нуле.

Значения коэффициента гидравлического сопротивления в стыках железобетонных напорных труб определялось по форму-

Для ка>адого значения С, определялось соответствующее отношение //£>, величина зазора и число Рейнольдса:

Вычисленные значения - в м5/с, И - в м, V - в м/с, Ле и С,

заносились в ведомости для исследуемого зазора напорных труб. По этим данным построены графические зависимости, представление на рис.2 и рис.3.

В целях исключения влияния колебаний напора при измерении перепада давления исследуемого режима снималось не менее 10 показаний приборов и в расчетах использовалось среднее значение.

Снятие показаний при каждом режиме производилось в течении 25-30 минут, отдельные опыты одного и того же режима проводились с интервалом в 3 минуты.

Известно, что никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно даже при измерении одной и той же величины одними и теми же приборами. Результаты измерений оказываются несколько различны, так как могут содержать накопленную ошибку. В связи с этим, во второй главе рассмотрен наиболее часто употребляемый метод оценки качества полученных результатов, который заключается в определении относительной погрешности искомой величины как суммы относительных погрешностей единичных измерений.

За основу взята зависимость для определения А = /(<£, у) , из которой следует:

ле(1.1).

(2.3)

так как V =

46

(2.4)

Согласно формуле накопления погрешностей'

; л о е

(2.5)

При определении потерь напора на расчетных участках труб с помощью дифференциального пьезометра абсолютная ошибка измерения составила A h = 1 мм. При шкале прибора, равной 0.5м, относительная погрешность составляет:

^ = ^100% = 0.2% (2.6) h 05

Предельная относительная ошибка при измерении диаметра трубы штангенциркулем такова:

— = — 100% = 0.2% (2.7)

Dbh 47 где DBH - внутренний диаметр трубы.

При вычислении расхода воды предельная относительная ошибка составит сумму относительных ошибок определения объема воды и времени наполнения бака:

— = —100% «3.5%; — = — 100% = 0.16%.

W 28 t 60

(2.8)

Тогда имеем:

^ = 3.5 + 0.16=3.66% (2.9)

Q

Таким образом, предельная относительная ошибка при определении Ç составит:

0-2+4-0.2+ 2-3.66 = 8.32% (2.10)

Полученная погрешность проведения экспериментов находится в пределах обычных допустимых значений н показывает что точность измерения на гидравлической установке отвечает требованиям задач эксперимента.

Анализ результатов гидравлического исследования стыковых соединений ошграется ка следующие зависимости, построенные графически для обработки полученных данных (рис.4) :

С = A = /(v); Ç =/(//£>) (2.П)

Графоаналитическое сравнение приведенных зависимостей позволяет сделать вывод, что при увеличении числа Рейнольдса, 3 следовательно, и скорости движения воды в стыке, величина потерь напора возрастает с увеличением величины зазора и наоборот. С увеличением числа Рейнольдса Rt коэффициент Ç незначительно уменьшается. Независимость коэффициента Ç от R, при резких переходах теоретически наступает при Л,>3000, а при

плавных переходах - при Л,>100000. При малых числах Рсй-нольдса течение жидкости через стык является безотрывным, потери напора обуславливаются непосредственным действием сил вязкого трения и линейно зависят от величины скорости.

В третьей глаас диссертационной работы приведены аналитические решения по определению гидравлического сопротивления стыковых соединений железобетонных труб.

Исследования гидравлических сопротивлений, вызываемых различными элементами шероховатости и неровностями показали, что отверстия и углубления на поверхности элемента, ко которому течет жидкость, вызывают увеличение сопротивления, так как внешнее течение приводит в движение жидкость, находящуюся в углублении. В книге Г.Шлихтинга указывается, что повышение сопротивления тем меньше, чем меньше отношение глубины отверстия б к толщине пограничного слоя /. Максимум гидравлического сопротивления достигается, когда 5//«0.4. Весьма интересные результаты исследований обтекания траншеи приведены в книге академика М.АЛаврентьева и Б.В.Шабата. Там рассматривается задача о течении в глубоком водоеме с плоским дном, в котором имеется траншея с прямоугольным сечением, перпендикулярным к направлению скорости потока. Решение дается для потенциального потока при условии, что в траншее образуются вихри. Для глубоких траншей, когда глубина примерно в два раза больше ее ширины, течение распадается на три зоны: первую, расположенную над траншеей, и две другие, расположенные в траншее друг над другом там, где движение имеет постоянные завихренности в верхней и нижней частях.

Явление гидравлического сопротивления ниши, образованной в стыковом соединении труб, можно рассматривать состоящим из двух видов сопротивлений: внезапного расширения потока на глубину ниши и затем внезапного его сужения.

При расширении потока на всю глубину ниши потери при турбулентном течении можно найти по формуле Бор да:

_а,(у-ур)2 а,У2

^ 28 28

_ тФг (£> + 25)2 так как -= УрЯ---—

-С—У

Ко+2 5)

(3.1)

4 4

Здесь коэффициент сопротивления внезапного расширения потока после преобразований можно привести к виду :

49

£в.Р.=а

(3.2)

48(£> + 5) '[(£> + 28)2_

Согласно исследованиям И.Е.Идельчика, можно принять

а, = 1.

Вход потока п трубу из ниши сопровождается сжатием потока и последующим его расширением до сечения трубы. Поэтому весь этот процесс перехода скорости от ур до V выражается по формуле внезапного сужения потока:

лас.

0.5(у-ур) _о,5 у2

-Г—У

кр+гь)

28 2д

Откуда гоэффнцнент сопротивления внезапного сужения:

(3.3)

ав.С.

(3.4)

(Р+2Ьу

Б таком случае потери напора при прохождении гаадкостн через нишу равны сумме потерь напора на внезапное расширение н на внезапное сужение:

2 2 = V. +/гв.с. = .+«в.с.) = ^н (35>

Коэффициент сопротивления ниши составит:

_1682(0+3)2 25(Р+5) ^н - Саг. = =

и 25 1 + 138/Р+2482/Р2 -4-1253/Р3 28 , , ,

О (1 + 28/Р)4 =^>Д '

(3.6)

где введено обозначение

/(8/Р) =

1 + 136/Р+2452/Р2 +1283/Р3 (1 + 2 8/Р)4

(3.7)

Из теории свободных турбулентных струй известно, что

угол свободного расширения струи составляет ж 27°, в то же время безотрывное течение в диффузорах наблюдается при углах

постепенного расширения а = 8 -г 10°, (/&а = 0.14+0.17). На-

ЛГ

блюденш в нишах при отношениях &// < 1/7 показывают, что внешний поток, оторвавшись от передней кромки ниши, доходит до дна и далее на дне происходит его повторное развитие. В области соприкосновения потока с дном происходит интенсивная пульсация скорости. Поток жидкости, движущийся в нише после соприкасания с дном, набегает на заднюю стенку, поворачивается на 90° и сбрасывается из ниши в основной поток, образуя сжатое сечение (рис.4).

С увеличением отношения 8//>1/7 основной поток в результате расширения наталкивается на заднюю стенку и растекается в противоположные стороны, в нише под струей образуется вихрь.

Увеличение параметра 8// приводит к искривлению границы постоянной массы и более глубокому проникновению внешнего потока в полость пиши.

При 5// = 0.4 главный вихрь располагается у задней стенки ниши; при 8// = 1.0 - занимает почти все пространство ниши за исключением нижних углов, где располагаются вторичные вихри.

Исходя из описанной модели поведения жидкости в нише, можно принять, что с увеличением 5// до 0.4 расширение потока в нише происходит на всю глубину ниши. Эту глубину назовем критической 5к, так как при 6// > 0.4 расширение потока в нише не превосходит //. Она представляется в виде: =0.4 I.

При б//¿0.4 подстановка выражения для в формулу для определения С. дает

Далее в третьей главе произведено сравнение опытных и теоретических значений коэффициентов гидравлического сопротивления С,, из которого очевидно их расхождение. В основном это расхождение объясняется несоосностью соединения стыка (рис.5).

В качестве примера выполнена оценка потерь напора в стыках железобетонного напорного трубопровода длиной 1км. диаметром 0=500мм при скорости течения V =1.02 м/с.

Согласно данным по технологии изготовления железобетонных напорных трубопроводов длина трубопроводов 1=5м.

I 1 + 5.2/ Р + 3.84/2 Р2 +0.76/3 Р 0 (1+0.8/О)4

2

4

3

(3.8)

■■в

Рис. 4 Схема течения воды s стыковом соединении

П

Отношение длины зазора кдиамэтру

Опытные данные -в— Теоретечесяэ двиныэ

Рис. '5 Сопоставление опытных данных с теоретической зависимостью коэффициэнта местного согротипленил от отношения длины зазора к диаметру

Диаметр раструбов по отношению к диаметру трубы образует глубину зазоров 5 = 67 мм, длина зазоров примерно равна /=15мм [28]. Таким образом, для соотношения 5// имеем: S// = 67/15= 4.46.

При диаметре трубы Z)=500mm согласно условию 5//>0.4. Следовательно, можно использовать формулу (3.8) или график, представленный на рис.5. Тогда при 1/D = 15/500 = 0.03. Из графика (рис.5), находим, что в среднем £ = 0.04.

Потери напора . зазорах на 1км длины трубопровода при условии 200 стыков/км составляют:

v2 1022

= Л\гг С— = 200-0.04 • = 0.42 м Ъаз ст 2g 19.62

Потери напора по длине трубопровода согласно данным из таблиц Ф.А.Шевелева при скорости v =1.02 м/с равны: hgK =i-L = 0.00252 • 1000 = 2.52 u

Они оказываются сопоставимыми с потерями по длине трубопровода. В нашем конкретном примере сопоставление дает:

^- = —100%= 17%

hx 252

Из расчетов вытекает, что сопротивления в зазорах в отдельных случаях могут достигать до 17% от величины сопротивления по длине, что обычно никогда не учитывается при расчетах.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений стыковых соединений железобетонных напорных труб, изучение факторов, влияющих на потери напора в них, и анализ полученных результатов позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации.

1. Основными причинами возникновения потерь напора в стыках железобетонных напорных труб малых диаметров являются несоосность стыкового соединения, заключающаяся в несовпадении осей раструбного конца уложенной трубы и втулочного конца укладываемой трубы, и наличие в ряде случаев глубокой и достаточно широкой ниши, предусмотренной самой конструкцией гибкого стыка.

2. Гидравлическое сопротивление ниши можно рассматривать как местные сопротивления, в которых основную роль играют внезапное расширение потока и последующее его сужение, сопровождающееся сжатием потока в трубе после ниши.

3. В стыковом соединении железобетонных труб типа "раструб-втулка" при входе воды в нишу имеет место процесс

49

вихреобразования в ней и встречное движение потоков в нише, что приводит к существенный потерям напора при трении. Этот процесс особо усугубляется в случае наличия несоосности в стыке.

4. По гидравлическим сопротивлениям стыковое соединение железобетонных напорных труб следует рассматривать как бесконечно глубокую нишу. При этом глубина действительной зоны (крэтическая

глубина 8^), оказывающая влияние на потери напора в стыке, составляет по отношению к длине зазора 6^// =0.4. При отношении глубины зазора к его длине 5// > 0.4 расширение потока в нише не превосходит отношения критической глубины к длине зазора /I, следовательно величина потерь напора в этом случае не зависит от глубины яиши.

5. Величина потерь напора в стыках железобетонных напорных труб малых диаметров зависит как от скорости движения воды в трубе и, соответственно, от числа Рейнольдса, тах и от ширины зазора (ниши). При этом потери напора пропорциональны величине зазора в стыке м скорости движения воды в трубе, и увеличиваются с увеличением последних. С увеличением числа Рейнольдса К.е коэффициент гидравлического сопротивления £ стыка вгеяезобетоиных напорных труб малых диаметров несколько уменьшается. Вместе с тем при значениях числа Яе>3000 наблюдается устойчивая независимость коэффициента С\ от числа Яг.

При достаточно больших числах Рейнольдса (Ле>1С0 ООО) потери на вихреобразование приобретают основное значение. Потери напора становятся пропорциональны квадрату скорости и коэффициент потери напора С, определяется только геометрией потока (квадратическая область сопротивления).

7. Выполненные исследования гидравлических характеристик стыковых соедашений железобетонных напорных труб по-

»о

называют, что при существующей технологии изготовления этих труб и способах их укладки потери напора в стыках для труб малых диаметров в отдельных случаях достигают до 17% от потерь напора по длине.

8. На основании выполненных исследований рекомендуется при укладке железобетонных труб принимать меры, позволяющие избегать несоосности труб. Для этого следует нзмешггь технологию укладки труб, по-видимому, следует отказаться от заталкивания гладких концов труб в раструбы при помощи ковша экскаватора, а применять для этой цели, например, домкраты со специальными упорами. Прн укладке труб использовать лазерные нивелиры.

9. Следует уменьшить допуски на величину кольцевого забора в стыках, что приводит к уменьшению потерь напора или совсем ликвидировать зазор путем прикрепления к торцу втулки резинового кольца, толщиной 9-10мм в зависимости от диаметра трубы.

По теме диссертации опубликована одна печатная работа:

Бенаббу Р. "Деформации в местах соединения железобетонных труб и поиск рациональной конфигурации стыков". Доклад на "Неделе науки", С.-П6..ПГУПС, 1995г.

Подписано к пвчаги ¿./Л. 97г. /сл.-леч.л. -1,25

Печать офсетная. Бумага для множит.апп. 4ориат 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Заказ цщ.

Тип. ПГУПС 190031,С-Патарбург, Московский пр7,9