автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Нестационарные гидравлические процессы в трубопроводных системах, оборудованных автоматическими импульсными дождевальными аппаратами

;:з о л

_ 9 ИЮП 1997

на правах рукописи

НОСА ДЖЛМАЛЬ ГЛЗИ

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ГВДРАВЛИЧЕСКЙЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТШАХ, ОБОРУДОВАННЫХ АШШАТМЕСКШИ ИМПУЛЬСНЫМИ ДОЖДЕВАЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени канцидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре гидравлики.

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор В.М.ЛЛШВ

доктор технических наук, профессор А.В.МИШУЕВ

кандидат технических наук, доцент С.П.ИЛЬИН

Ведущая организация - А/0 ВОДШЖШФОНШГОЕКТ

Защита диссертации состоится " 30 " июня 1997 года в 15 час» 00 мин, на заседании диссертационного совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП Автореферат разослан " " ^са^л. 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н. о/^,у/1 И.М.Евдокимова

ОЕЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время одним из наиболее прогрессивных способов в области техники полива является автоматическое импульсное докдевание, благодаря которому можно получить максимально рассредоточенную поливную струю по всей системе при различных формах рельефов местности и при не очень тщательной планировке полей.

Автоматическое импульсное дождевание - это искуственный кратковременный довдь, который воздействует на условия роста и развития растений, исключая отрицательное воздействие погодных факторов на их рост и развитие.

Применение автоматического импульсного дождевания позволяет, при значительном радиусе действия аппарата (25+30 м и более), сохранять влажность воздуха на высоте растений в пределах 70...80%, регулировать микроклимат, в наиболее жаркие дни снижая температуру на 2°-3°С, проводить противозаморозковые поливы в холодные дни, аккумулировать влагу в активном слое почвы на оптимальном уровне без резких колебаний, вносить растворимые минеральные удобрения с поливной водой, а такие, по сравнению с поверхностным орошением, снижать опасность засоления почвы при наличии солей в нижних слоях почвы.

Дальность полета водяной струи в атмосфере зависит как от напора, так и от диаметра струи, поэтому при небольших подачах воды с высоким давлением выгодно в течение некоторого времени накапливать воду, а затем, при сравнительно большом диаметре ствола, выбрасывать ее на орошаемый участок. При этом может быть достигнута более высокая дальность полета струи, что приводит к увеличению расстояния мевду аппаратами и между трубопроводами и, следовательно, к уменьшению стоимости сети.

Системы импульсного дождевания можно разделить на две группы: системы с дождевальными аппаратами, работающими при неустановившейся -подаче вода из трубопроводной сети (типа "АВДА"), и системы с дождевателями принудительного действия (типа "Коломна-15"), отличающиеся наличием коллектора и генератора импульсов, который обеспечивает поочередную работу группы дождевальных аппаратов.

Опыты и практика показали, что автоматические импульсные дождевальные аппараты ("АИДА") работают практически одновременно в ■ сети, что обходится дешевле по сравнению с аппаратами принудительного действия, работающими в "ждущем" режиме по сигналам понижения

давления в сети. Аппарата принудительного действии работают синхронно только при наличии в сети дополнительного оборудования и каналов связи (генератор командных импульсов, датчик необходимости и интенсивности водоподачи, датчик заполнения гидроаккумуляторов, . пульт управления, гвдроподкормщик, контрольно-измерительное оборудование), что обходится экономически дороже, чем системы с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АВДА".

Преимуществами трубопроводных оросительных сетей с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АВДА" также являются использование трубопроводов малого диаметра (магистральные трубопроводы ¿/ = 50...180 мм, распределительные - </- 15...50 мм), рациональное использование водах ресурсов, возможность перемещения автоматических импульсных дождевальных аппаратов по полю и возможность их изъятия из сети в случае ремонта или создания севооборота, так как аппарат весит всего 12 кг.

Все эти преимущества позволяют внедрить наиболее совершенные дождевальные системы, оборудованные автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АИДА".

Однако, опыт проектирования, строительства и эксплуатации трубопроводных систем с импульсными довдевалызыми аппаратами очень мал и не освещен в специальной литературе. Нет теории и методик расчета совместной работы импульсных дождевателей в трубопроводной сети, а разработана только методика расчета одиночного аппарата, в которой процесс сжатия и расширения воздуха в рабочей камере дождевателя был рассмотрен по изотермическому закону. При этом не были учтены изменение давления, создаваемого переменным слоем вода в камере "АВДА" и процесс теплообмена мевду воздухом, находящимся в камере дождевателя, и окружающей средой.

Цикл работы автоматического импульсного довдевалъного аппарата "АВДА" состоит из $азы накопления и с£азы выстрела.

Из-за цикличности работы автоматических импульсных дождевальных аппаратов "АВДА" в трубопроводной сети возникает неустановившееся движение воды, которое, в свою очередь, влияет на нормальную работу этих аппаратов.

Поэтому разработка теории и методик расчета нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных системах с "АВДА" является актуальной необходимостью для внедрения их в ; эксплуатацию.

Цель исследований. Основной целью работы является разработка теории, методик расчета, алгоритма и программы расчета на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных сетях, оборудованных дождевателями "АЩА." при различном их расположении в сети, для численного исследования влияния атпх аппаратов на гидравлические характеристики сети и оптимизации гас . совместной работы.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи исследований:

- разработка теории, методик и алгоритма расчета нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных сетях, оборудованных дождевателями "ЛИДА" при их различном расположении

в сети с различными граничными условиями, с учетом процесса теплообмена между воздухом в рабочей камере и окружающей средой и других факторов;

- составление программы расчета на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных сетях с дождевателями "АДДА";

- проведение численных экспериментов на ЭВМ при различных начальных и граничных условиях для различных схем трубопроводных сетей;

- рассмотрение взаимного влияния дождевателей "АВДА" и их влияние на гидравлические характеристики сети с целью оптимизации их совместной работы.

Научная новизна и практическая ценность. В представленной работе автором впервые разработаны теория, методики, алгоритм и программа расчета и проведены численные эксперименты по исследованию на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных сетях, оборудованных автоматическими импульсными дождевальными аппаратами при их различном расположении на сети, с различными граничными условиями, с учетом процесса теплообмена между воздухом, находящимся в рабочей камере "АВДА", и окружающей средой, с учетом изменения глубины воды в рабочей камере "АИДА" и других факторов.

Предлагаемые метода расчета трубопроводах сетей с автоматическими импульсными довдевальными аппаратами "АВДА" и программные средства, разработанные на их основе, могут быть использованы для .гидравлического расчета оросительных систем, оснащенных импульсны-'ми дождевателями различных конструкций, работающими на этом принципе.

Предложенные теория, методики, алгоритм и программа расчета на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных системах, оборудованных "АВДА", позволяют обеспечить многовариантность при выборе пара/лет ров импульсного дождевателя при проектировании систем с "ЛВДЛ" и повысить надежность и безаварийную эксплуатацию этих систем.

Достоверность результатов базируется на применении ранео неоднократно экспериментально проверенных уравнений неустановившегося напорного движения жидкости, корректном решении этих уравнений широко распространенным и многократно апробированным методом характеристик, а также на совпадении экспериментальных данных предшественников с данными численных экспериментов, полученных нами на ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены в 8 статьях и доложены на XXXI научной конференции профессорско-преподавательского состава инженерного факультета Российского университета Дружбы Народов в 1995 г. и на научно-технических конференциях МГУП (1995...1997 гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Список литературы включает 117 наименований авторов на русском языке и 23 наименования авторов на английском языке. Работа содержит 133 страницы машинописного текста, 49 рисунков (35 страниц), 3 таблицы (14 страниц) и приложения (12 страниц).

СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится исторический обзор конструкций импульсных дождевальных аппаратов и принцип их действия.

Импульсные дождеватели, получившие за рубежом название "дождевальные пушки", широко распространены в различных странах мира, начиная с 1927 года, а в России только с 1961 года, когда впервые на кафедре гидравлики МШИ (ныне МГУП) под руководством профессора И.И.Агроскина был сконструирован автоматический импульсный дождевальный аппарат. В дальнейшем исследованиями и разработками по этой теме занимался ряд других ученых. Значительный вклад в теоретические и экспериментальные исследования и в разработку импульсных дождевальных аппаратов внесли И.И.Агроскин и З.Н.Окулова, 1961...1969; Б.А.Васильев и Г.М.Гасанов, 1968...1970; Б.М.Лебедев, 1966...1977; !А.П.Русецкий, 1969; Г.В.Лебедев, 1970...1987; А.М.Шарко, 1972; А.П. Исаев, 1973; В.Ф.Носенко, 1973...1990; Ю.А.Поляшов, 1974...1987;

Я.А.Санднбаев, 1974...1985; Н.Ф.Гульков, 1974...1988; Ю.Н.Милинс-кий, 1974...1987; Г.П.Примов, 1982...1988; Т.П.Лятврг, И.А.Лозовский, 1989...1990; Г.С.Ратушшш, И.В.Коц, 1986...1988; В.Мириель, 1985; С.А.Рабинович, 1987; В.С.Алтунин, 1988; М.А.Ларский, 1986... ...1993 и другие.

Далее в работе приводятся описание конструкции, принцип действ ил и достоинства автоматического импульсного дождевального аппарата "АВДА" (см. рис. I).

"АВДА" работает прерывно под переменный напором, импульсами. Цикл работы аппарата состоит из двух $аз:

- $азы накопления, во время которой происходит накопление воды в рабочей камере дождевателя и абсолютный напор поднимается до максимального заданного значения ^тах;

- $азы выстрела, во время которой осуществляется выброс воды из аппарата и абсолютный напор понижается под переменным напором от ^гпах. ДО заданного минимального значения Н .

Приводится обзор исследований предшественников и основные результаты их трудов и различные методы подхода к расчету параметров различных импульсных дождевальных аппаратов.

Далее предлагаются основные предпосылки расчетов на ЭВЫ нестационарных и переходных процессов в трубопроводных сетях с дождевателями "АИДА" и рассматриваются основные метода решения уравнений неустановившегося движения жидкости в трубах и в трубопроводных системах.

Здесь необходимо отметить, что дифференциальные уравнения, описывающие неустановившееся движение жидкости и гидравлический удар в трубах, были впервые получены великим русским ученым Н.Е. Жуковским. В дальнейшем исследованиями неустановившегося напорного движения жидкости и гидравлического удара занимались Н.Т.Моле-щенко, А.А.Сурин, Д.А.Догонадзе, Р.Е.Гудсон, Р.Г.Леонард, Л.Ф.Мош-нин, В.Г.Аронович, Н.А.Картвелишвили, Г.И.Мелконян, В.Л.Стритер, И.АЛарннй, В.М.Усаковский, Б.Ф.Лямаев, А.А.Атавчн, В.И.Виссарионов, Н.Н.Аршеневский, А.В.Мииуев, В.М.Алышев, К.П.Вишневский, Л.Бержерон, Д.А.Фокс, Уайли, Д.Людвиг, Г.Еванжелисти, Голдберг, Гуанг Лин, Шимада Машаси, Китагава, Танбанди, Д.С.Виякерт, Т.Л. Тайзингер, В.Цильке, Вичовскир и многие другие.

В конце первой главы приводится анализ выполненных предшественниками теоретических и экспериментальных исследований импульсных дождевальных аппаратов.

(Г)

Рис. I. Расчетная схема (а) и элемент сетки характеристик (б)

I - напорный трубопровод; 2 - соединительный трубопровод; 3 - гидровоздушная камера; 4 - подводящая трубка; 5 - камера давления; 6 - дифференциальный клапан; 7 - поршень; 8 - пруяина; 9 - ствол с насадком

Анализ работ предшественников показал, что наиболее современным и перспективным автоматическим импульсным дождевальным аппаратом является дождеватель "АВДА".

Анализ теоретических исследований "АВДА" я других импульсных дождевателей показал, что полученные расчетные формулы справедливы для одиночного дождевального аппарата, установленного на коротком трубопроводе, питаемом от насосной установки. Также было показано, что при выводе расчетных формул был принят ряд не совсем строгих допущений (изотермический закон сжатия-расширения воздуха в рабочий камере дождевателя, не учтены давление, создаваемое переменным слоем вода в рабочей камере и потери напора в узле соединения камеры с трубопроводом, не учитывается процесс теплообмена между воздухом, находящимся в камере, и окружающей средой, не рассмотрена совместная работа дождевателей, установленных на трубопроводной сети с учетом различных граничных условий, периодичности работы аппаратов, неодновременного их включения-выключения и взаимного влияния.

В итоге сделан вывод о целесообразности применения метода характеристик, который, по мнению многих исследователей, является наилучшим для решения задач о нестационарных и переходных гидравлических процессах в трубопроводных системах.

Во второй главе приведена приближенная теория и методика расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами при различном их расположении в системе с различными граничными условиями.

Рассмотрим узел М соединения двух трубопроводов с аппаратом "АВДА" при 1,1 д. = 2 (см. расчетную схему, рис. 1,а,б).

.Допускаем, что процесс сжатия-расширения воздуха в камере "АВДА" является политропическим, т.е. подчиняется закону

, (I)

где Щ, и Н0 - соответственно начальный объем воздуха и соответствующий ему абсолютный напор; 1/и И - значения этих величин в какой-то момент времени t ; п -коэффициент политропы (л = I при изотермическом процессе; л = 1,41 при адиабатическом процессе; п = 1,2 при политропическом процессе).

рассмотрим фазу накопления, в течение кото- -рой вода поступает в рабочую камеру аппарата. За интервал времени Л объем воды в довдевальной пушке изменится на

аЩ = 6Я- М - - ОИГ (2)

.1) =

2НЫ

(3)

Тогда расход вода, поступающий в аппарат "АНДА" в какой-то момент времени / , равен ^

В соответствии с уравнением баланса расходов жидкости в узле М имеем

!Е1аир -&(**>* о, <4)

где М,у- число ветвей, примыкающих к узлу (на рис. 1,а 2) (принимаем знак "плюс", если течение направлено в сторону узла, и знак "минус", если из узла). Имеем

■ ^(«.ю - - М - О, (5)

где и соответственно скорости в сечениях трубопровода

(Л/-Л^) и (/¡/¡) в момент времени/; гдм^к) и соответствен-

но площадь живого сечения в " ¿/'-ой и " ¿/-ой ветви. Тогдй

в<*.*) = ^(Н,.»-(б)

Из уравнений соотношений на прямой и обратной характеристике имеем „ д.

а, "(».М + а, Цу-у, + или / р

" *ч - Т^Ш) \

Цн-^Л)

¿л

(7)

tfxi.tr¿-¿О*

2Л,

или

У*,*)'

1'2 + Уг,

где формулы для определения величин и приведены в диссерта-ПШ-.Д-^^, и Zfa.it.^(„„¿-¿Г соответственно абсолют-

ные напоры и скорости в сечениях трубопровода (Л'-/)-(Л'-/) и (ЛЧ-/)--0У+/) на расстоянии &Х выше и ниже узла ГЛ (или в безразмерных длинах на I) в момент времени (£-а£); , соответственно коэффициенты Дарси в ¿,-ой и в ¿л -ой ветвях трубопроводной сети в сечениях, находящихся на расстоянии лX выше и ниже узла М в , момент времени (/-д£); £ - ускорение свободного падения; с£,, (£г -' диаметры /,-ой и ¿¿-ой ветвей трубопровода; а,, аг -скорость распространения звука в трубопроводах (/V—I)—и Л^-С/У+Т). Для однород-

ной жидкости ¿7,- определяется по формуле Кортвега-Жуковского * - '

где £ж - модуль объемной упругости жидкости; Е; - модуль упругости материала стенок /-ого трубопровода; е, - толщина стенок /-ого трубопровода; уЗ - плотность жидкости; - диаметр ¿' -го трубопровода.

Первое приближение (без учета давления, создаваемого переменным слоем вода в рабочей камера "А1ЩА"). Допускаем, что Н/м^) =

* Тогда с учетом (3), (5), (7) и (8) получим уравнение для определения напора в узле Ц

С - (Ю)

где формулы для определения величин А, В и С приведены в диссертации; т= /+ д .

Нелинейное уравнение (10) решается по методу итерации. После вычисления из (ю) необходимо определить и по (7) и (8), а также расход^/; по (б). Фаза выстрела, в течение которой осуществляется выброс вода из дождевателя и объем вода И^ за интервал времени & в рабочей камере аппарата изменяется на = (}ксИ -¿¡„М = -¿/IV. При этом расход воды, поступающий в аппарат во время выстрела в момент времени t , равен

а.

аЬ

где и ~ расход, выбрасываемый из аппарата соответствен-

но в момент времени /и (/-¿г1);

в№ Р?(Х(ф~Яат) ; (12)

площадь живого сечения насадка "АИДА";коэффициент расхода насадка "АВДА"; Нат - напор, соответствующий атмосферному давлению Рат. При допущении, что Я^,^ -Хсиф ^Х(к^) » и с УЧ0ТОМ (5), (7), (8) и (II) получим

[А, * V* Ч ]С + 4 = 0 (13)

Формулы для определения величгаг В„ к,, и С, приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (13) решается методом итерации. После определения из (13) следует найти значения ^^ соответс-

твенно по (7) и (8), а также значения расходов ¿^/у по (II) и по (12).

Второе приближение (с учетом изменения давления, создаваемого переменной глубиной вода Нв в рабочей камере довдевателя (см. рис. 1,а).

В момент времени t напор в узле М в сечении (м-м) равен

H(»,t) = H<Kt) ■

(14)

где Н°03Д - высота слоя воздуха в камере "АВДА" при абсолютном напоре н0.

Фаза накопления. Допуская, что напор в узле М в сечении (И^-ЛО равен напорам и соответственно в сечениях (Л/ —/У,) и (#¿-#1), примыкающих к узлу М, с учетом (3), (5), (7), (8) и (14). получим

= * (ю)

Формулы для определения величин ¿V, %г и ^ приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (15) решается методом итерации. После вычисления из (15) по формуле (14) определяется значение напора Н(м,и » а затем по (7) и (8) - значения скоростей Ц*,^) и в сечениях (/V,—Л^) и , по (3) - значение расхода •

Фаза выстрела. Допуская, что = = и с учетом (5), (7), (8), (II) и (14) получим

■ ° сю

Формулы для определения Ж,, 2>, и % приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (16) решается по методу итерации. После нахождения напора из (16) вычисляем напор М^ц по (14), а затем определяем скорости Ць^ц и соответственно в сечениях

и по формулам (7) и (8), определяем расход по

(12) и расход - по (II).

» Рассмотрим узел трубопроводной сети с аппаратом "АВДА", установленным в конце тупикового ответвления (см.рис.2 и рис.1,а,б)

»»«швдд | Д __ "АИЛА "

~Т h N-/

О

ft N

Рис. 2. Тупиковое ответвление с "АВДА"

Фаза накопления. Допускаем, что MfHtit) = J/cmí) » который определяется по (14). С учетом (3), (5), (7) и (14) получим Zr'NfZt) + Zg^ZJ) + Zs = 0 (17) формулы для определения 2>< ^ и приведеш в диссертации. После определения из (17) вычисляем расход Sfrtj по (3), скорость Pr^i) по (7) и напор M{Kt) п0 С14).

Фаза выстрела. Подставив в (5) tfM/,t) по (7), допуская, что И(Мд = W(vt,t) и определяя ¿¡¡¿у для фазы выстрела по (II), с учетом (14), получим

+ {*><>+ М А ' 'Vcar) ]+ 5 = 0 <И>

Формулы для определения 2/е>, Z„ приведены в диссертации. По аналогии с предыдущим определяем все параметры, характеризующие неустановившееся движение вода.

Рассмотрим узел соединения М,у ветвей {Мм ? 3), в котором установлен "АВДА" (см. рис. 3 и рис. 1,а,б).

lie

Рис. 3. Узел разветвления с "А1ЩА"

Уравнение неразрывности имеет вид ¡•Мм

Qti.tr #(*.*) = О , (19)

¿ = /

где Ощ) - расход в каждой ¿-ой ветви в сечении, примыкающем к узлу, в момент времени t. Расхода вычисляются по формуле

АЛ

где Л =(-/) ; эе = 0 для прямой характеристики и =/ для обратной характеристики; известная величина, формула для определения которой приводится в диссертации.

Принимаем, что расход, втекающий в узел (направление к узлу), имеет знак "плюс", а расход, вытекающий из узла - знак "минус".

Тогда Ирп (¿) (-^ = +/ при положительном значении I и Л -при отрицательном значении I ).

Фаза накопления. Пренебрегая местными потерями напора в узле имеем = = - ... = и = ••• = с У40101" О), (14), (19) и (20) получим

'Формулы для определения <9,, $г приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (21) решается по методу итерации. После определения из (21) следует вычислить по (14"» - Н(1П .

Далее по зависимостям (20) определяются расходы Of¿lt) » а затем скорости = (¡¡¿¿) /в?/ .

Фаза выстрела. По аналогии с фазой накопления, пренебрегая местными потерями в узле, с учетом (II),(14),(19) и

(20) получим .-

Ми^^^^Щ^аг) = 0 , (22)

где &!, и определяются по формулам, приведенным в диссертации.

Нелинейное уравнение (22) решается по методу итерации. После определения Я(кц из (22), по (14) вычисляется напор = Я а ц • а по (20) - расхода > а затем скорости •

Граничные условия

I. Тупик (рис. 4). ч

"V

¿V

Л--/ ы

Рис. 4. Тупиковое ответвление

При отсутствии разрыва сплошности потока в конце тупикового ответвления в сечении (/У-/У) (рис. 4) скорость равна нулю, т.е.

= 0. С учетом этого полученная формула для определения напора в тупике имеет вид

и .и +&7Г - 1}

¿¿аг (23)

2. Узел разветвления, где соединяется М^ трубопроводов (рис.5)

© ©

1 е

1®

Рис. 5. Узел разветвления

Скорость в с —ой ветви узла М*. равна

В любом узле сети трубопровода выполняется, условие неразрывности

^ (¿и>1 • = О , (25)

где - площадь живого сечения I -ой ветви.

Пренебрегая местными потерями напора в узле имеем М/^) = = = Н(^) . Тогда в соответствии с (24) и (25) получим' ' ' 1*М.1Ы \

» (26)

ИШ) =

1° < ¿щ

\ ГШ

I)

где формула .для определения /я,- приведена в диссертации.

При найденном значении расходы в каждой ветвп,

примыкающей к узлу, вычисляются по формуле (20).

3. Задвижка (рис. б).

у

1 А

I ■

I

N

Рис. 6. Узел с задвижкой Скорость в задвижке в момент времени / равна

Напор определяем, решая нелинейное уравнение ^¿(//-/.¿-аО

£3. .

^(н-Г^-АЦ

о

(27)

(28)

После определения по методу итерации напора из (28) вы-

числяем скорость по (27), а затем расход 8(^,1).

4. Насосный агрегат.

При допущении, что момент, развиваемый электродвигателем, = 0, в соответствии с методикой Л.Ф.Мошнина имеем

fyf.t-A*)

(31)

где M(n,t-*t)~ момент, потребляемый насосом в начале интервала вромо-нилЦ момент, потребляемый насосом в конце интервала време-

ни At; Ajb = &п/п0 ; па - частота вращения при нормальном режиме работы насоса.

Тогда с учетом (29) и Jbt at) + дjb по аналогии с методикой, приведенной в докторской диссертации В.М.Алышева, получим

а = -^----- » (30)

Jt 2Ч,Чг At

где ^ = Щ0-Мт); riz = 60 g ISln0(GQz) ; Щ = (0,01 * 0,02)M^; Ми — суммарный момент, потребляемый насосом при нормальной частоте вращения п„= п.

Для определения расхода Q(Bfi и напора H(0,t) в сечении трубопровода 0-0 за насосной установкой решаем совместно уравнение соотношений на обратной характеристике

и уравнение характеристики насоса &-Н для момента времени t при частоте вращения nt р

"(o,t) = ^К * n0Qm -Со0гш> > С32)

где ¿о,, £0,, Со ~ эшшрические коэффициенты, характеризующие марку насоса.

При этом получим / л . г п -

Формулы для определения 8г и Юз приведены в диссертации.

После вычисления Q(0j) по (33) и J>t по (30) вычисляем напор

по (31) или по (32). ft третьей главе приводятся теория и методика расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети, оборудованной "АВДА", с учетом процесса теплообмена между воздухом, находящимся в камере "АВДА", и окружающей средой, с учетом изменения глубины вода в камере и других факторов.

' Приток (отток) тепла QT определяем по формуле Ньютона-Рих-мана QT я ocF&Tt , (34)

где дТ = Тв-Тс; л Т - разность температур; Тв - температура воздуха; Тс - температура среда; л - коэффициент теплоотдачи; у - поверхность теплообмена.

Суммарный приток (отток) тепла

От - О г, + Ятг » (35)

где ¿>Г/ - приток (отток) тепла от вертикальной поверхности камеры; вт* - приток (отток) тепла от горизонтальной поверхности камеры; - приток (отток) тепла от поверхности жидкости.

Рассмотрим узел трубопроводной сети с "АЩА", установленным в месте соединения двух трубопроводов (рис. 1,а,б).

Уравнение сохранения энергии квазиидеального газа в "АЩА" имеет вид йУ/ / /, _сШ Г-1 йОт\ . .

¿г^м^тт*^-тт) (36)

Фаза накопления. Объем воздуха в камеро "А1ЩА" равен у/= , {37)

где IV// = C0лst - объем камеры "АВДА".

Тогда в (38)

В соответствии с уравнением неразрывности

¿¿ЩМ » Ох (39)

С учетом (36), (38) и (39) получим

откуда еле,дует

/ (.„¿н Г-/ ¿мГ\

В конечных разностях в соответствии с (41) и расчетной схемой (рис. I) имеем _

%*Г иЬ-Г-ЯгкМуА* 3 ' (42)

Формула для определения величины Хз приведена в диссертации. Напор И(иц в узле М в сечении (Л'-ЛО в момент времени t

V .-V , г У*

-¿щ-^^-цТ ^

Высота слоя воздуха Я(емд){ в момент времени £

и о + , Глл.

л((c3d.it = Не --2 (

где - площадь поперечного сечения рабочей камеры "АВДА".

Из (42) определяем напор

Первое приближение (без учета потери напора в узле М и без учета изменения глубины в камере). Допускаем, чтоН^ц = =

= Н{ы,гУ • С учетом (5), (7), (8) и (42) получим формулу для

определения напора

(46)

Формулы для определения £г и ^ приведеш в диссертации.

Второе приближение (с учетом потери напора и изменения глубины в камере). Учитывая (5), (7), (8), (42) и (43) получим квадратное уравнение ,„,г ,,,,г

V'оЦт + Угг^УЩгло + Ул = о (47)

Решая уравнение (47), найдем скорость -

В уравнении (47) две неизвестные величины: и Я(^) • Поэтому задача на определение решается по методу последовательных приближений. В первом приближении вычисляем Н(ц^) но (46). Затем определяем скорость > решая уравнение (47). Далее находим скорости и соответственно по (7) и (8) при =

= 0 ~ = И(к^) • Далее вычисляем по (43) напор с уче-

том потерь напора в узле и изменения глубины в камере "АВДА", по (7) и (8) уточняем и Ц^^) и из (5) находил уточненное зна-

чение скорости .

Фаза выстрела. Расход, поступающий в камеру "АВДА" во время выстрела, определяется по зависимости

« * Уг * , (48)

где формулы для определения Уг и Уг приведены в диссертации.

Первое приближение (без учета потери напора и изменения давления в камере "АВДА"). Имеем = = = Я(к^) • Тогда с учетом (5), (7), (8) и (48) получим уравнение

Е,Н(мл +ЕЛ -¿¿н ■ Угр[Я(Х;Г Наг] » О , (49)

где формулы для определения Е, и Ег приведены в диссертации.

Из (49) определяем напор в первом приближении.

Второе приближение (с учетом потери напора и изменения глубины в камере). Допуская, что //^,,¿1 = - М^^) » 0 учетом (5), . (7), (8), (43) и (48) получим

г^Ф+ + = 0 (50)

Формулы для определения <5, , и приведены в диссертации.

Решая квадратное уравнение (50), определяем скорость после вычисления напора Н^ъ иэ (49) и по аналогии с предыдущим находим значения всех других величин.

Рассмотрим узел трубопроводной сети в конце тупикового ответвления с установленным в нем "АВДА" (рис. 2 и рис. 1,а,б).

Фаза накопления.

Первое приближение. Без учета потери напора и изменения глубины с учетом (7) и (41) при - получим вместо (4)

}/. **>(»'.*> " *■» ^г (гт)

т.-и>(н„к)+Узи>т

Формулы для определения с, , ¿3, Ю/ и приведет в диссертации.

Второе приближение. С учетом потери напора и изменения глубины воды в камере "АВДА". С учетом (4), (7), (40) и (42) получим

+ б* - О (52)

Решая квадратное уравнение (52), находим скорость пос-

ле вычисления по (51). Далее определяем значения всех величин.

Фаза выстрела.

Первое приближение. Без учета потери напора и изменения глубины воды в камере "АВДА", С учетом (4), (7) и (48) при -= Нсм,ц = получим йормулу для определения напора

<53)

Второе приближение. С учетом потери напора и изменения глубины воды в камере "АИДА" при Н(/ц,Ц = получим

+ *и3- вШ) - (54)

Решая квадратное уравнение (54) после вычисления по

(53), находим скорость и далее определяем значенш всех

величин.

Рассмотрим узел разветвления, в котором соединяется Мн ветвей (Ц,г:3) с установленным в нем "АИДА" (рис. 3, рис. 1,а,б).

Фаза накопления.

Первое приближение. Пренебрегая местными потерями напора в узле М, имеем = У^,/; = = ...= = = Н(н,ц .

С учетом (19), (20) и (42) получим формулу для определения напора

¿-Мм /

- 21 ъ - ^г/ 'УА* во (55)

А»/ / 1-/

Формулы для определения Л/ , ¿3 , Г£ и 60 приведены в диссертации.

После вычисления Н(*р по (55) (первое приближение) следует вычислить скорость Ц^) по (42) и расходы йцц по (20) с проверкой уравнения неразрывности (19).

Второе приближение. Уточняем значение напора Н^ц по (43) с учетом потерь напора и измонения глубины вода при выполнении условия = =...= Мам • •= ^ • с учетом (19), (20), (42) и (43) находим ^^

и _ _/__1эб.>

"Ш) - 17м, '

С П + Ъ)

¿0 - У + ЦгГг„А + -у>г#(%„ (57)

Далее из уравнения (19) определяем ¿'А/»

при = . ^ ^

Затем уточняем значения всех величин в соответствии с методикой, изложенной в диссертации.

Фаза выстрела.

Первое приближение (без учета потерь напора и изменения глубины вода в камере "/ОДА"). С учетом (19), (20) и (48) при = = = ... = Л^/у = ... = получим

I-Мм / ¿'Мм \ __

Ч = * (59)

После вычислешн из (59) напора находим по (12),

расход О (к, V по (48) и т.д.

Второе приближение (с учетом потерь напора в узле и изменения глубины вода в камере "АВДА"). При = НатМ = ... = = Над = ••• = ± Н(^) с учетом (19), (20), (43) и (48) получим ¿'Мм {¡'Мм -| --

^ - о (б0)

Из (60) можно определить . Задача решается по методу

последовательных приближений. Принимаем ~ и в первом

приближении по формуле (57) вычисляем §а . После этого, решая (60), определяем/^/; , далее находим по (43) и т.д. по мето-' дике, приведенной в диссертации.

Расчет выполняется до тех пор, пока не будет обеспечена заданная степень точности вычисления.

В четвертой главе на основе вышеописанных расчетных методик к.т.н. И.В.Рыбаковым при участии автора были составлены алгоритм и программы расчета на алгоритмическом языке "ФОРТРАН", реализующие расчет нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных системах, оборудованных автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АИДА". Эти программы, оформленные в виде отдельных модулей (подпрограмм), были включены в программный комплекс расчета (см. рис. 7) нестационарных и переходных процессов в напорных гидравлических системах, разработанный на кафедре гидравлики МГУП.

В главе приводится описание структуры разветвленной гидросистемы с помощью ориентированного связного графа. Описаны способы задания начальных условий, последовательность расчета, результаты численных экспериментов (см., например, рис. 8 и 9) для различных схем при разных вариантах расположения "АИДА" с различными грапич-ными условиями. Приведены также выводы и анализ.

При проведении серии тестовых расчетов наблюдалось, что:

- при увеличении значения максимального рабочего напора наблюдается повышение максимального давления в сети и увеличение продолжительности фазы выстрела;

- при уменьшении значения минимального рабочего напора происходит понижение максимального давления в сети (с уменьшением амплитуды давления) и уменьшение продолжительности фазы выстрела;

- увеличение объема камеры дождевателя приводит к увеличению времени рабочего цикла аппарата;

- при уменьшении эффективного диаметра подводки, который рассчитывается с учетом степени закрытия вентиля, уменьшается амплитуда колебания напоров в сети и увеличивается время рабочего цикла аппарата.

Из анализов результатов численных экспериментов следует отметить, что:

- импульсные дождевальные аппараты оказывают и испытывают взаимное влияние, что является результатом их воздействия на гидравлические характеристики сети в целом;

- при проведении расчетов гидравлического режима сети, оборудованной импульсными дождевателями, необходимо учитывать период стабилизации численного решения для того, чтобы избежать ошибок,

Рис. 7. Блок-схема модифицированного программного комплекса

0.00 20.00 40.00 6С

Время, с

Рис.8. Графики колебания напоров в трубе и камере дождевателе

0.00 10.00 20.00 30.00 40.со

Время, с

Рис. 9.

График колебания напоров в узлах ИД5, ИД12, V при отключении насосной станции.

связанных с неточным заданием начальных условий.

В главе также излагаются задачи дальнейших исследований по данной проблеме.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны теория, методики, алгоритм и программа расчета на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных системах, оборудованных "АВДА" при их различном расположении в сети, с различными граничными условиями, с учетом процесса теплообмена мевду воздухом, находящимся в рабочей камере "АВДА". и окружающей средой, с учетом изменения давления, создаваемого переменным слоем воды в рабочей камере и других факторов.

В частности получены расчетные формулы и зависимости, справедливые для различных граничных условий и различного расположения дождевателей "АВДА" на сети, с более строгим учетом процесса теплообмена между воздухом, находящимся в камере "АИДА", и окружающей средой на основе.применения уравнения сохранения энергии квазиидеального газа.

2. Впервые проведены численные эксперименты по исследованию на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных сетях с "АВДА" на различных схемах напорных систем при различных граничных условиях, а также исследованы их совместная работа и взаимное влияние на гидравлические характеристики напорной систеш.

3. В результате выполненных численных экспериментов установлено, что увеличение или уменьшение диаметров подпитки и насадок, объема рабочей камеры и пределов изменения максимального и минимального напора в рабочей камере дождевателя существенно влияет на продолжительность рабочего цикла и на другие параметры импульсного дождеватели и, следовательно, на все гидравлические характеристики напорной систеш, в частности, на процесс изменения давления в трубопроводной сети.

4. Доказано совпадение результатов экспериментальных данных, полученных предшественниками в полевых условиях и в лаборатории,

с результатами численных экспериментов, выполненных на ЭВМ, и тем самым доказана справедливость формул, выведенных при разработке методик и алгоритма расчета.

5. На основе анализа полученных результатов можно предвари-| тельно рекомендовать использовать в качестве начальных условий

для расчета нестационарных и переходных гидравлических процессов

в оросительных системах с "АИДА" стабилизированные решети уравнений, описывающих неустановившееся движение жидкости в напорных трубопроводах в наиболее удаленных от насосной станции узлах.

6. Предлагаемые методы расчета автоматических импульсных дождевальных аппаратов "АВДА" и программные средства, разработанные на их основе, могут быть использованы для гидравлического расчета оросительных систем, оснащенных импульсными дождевателями различной конструкции, работающими на этом принципе.

7. Предлагаемые теория, методики, алгоритм и программа расчета на ЭВМ нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводных системах, оборудованных "АИДА"| позволяют обеспечить многовариантность при выборе параметров импульсного дождевателя при проектировании систем с "АИДА" и повысить надежность и безаварийную эксплуатацию этих систем.

Полученные результаты открывают путь для дальнейших исследований в данной области и для разработки рекомендаций по этой проблеме.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Алышев В.М., Моса Джамаль Гази. Нестационарные гидравлические процессы в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальными аппаратами / МГУП. - Россия, Москва. - 41 е.: ил.6, библиогр.14 назв. - рус.,деп. в ВИНИТИ 12.05.95 й I337-B 95.

2. Алышев В.М., Моса Джамаль Гази. Нестационарные гидравлические процессы в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальными аппаратами /LLnstionary hydraulic processes /л pipeline network, equped iy automatic jmpuist spr/лХ/ега irrigation funs'. /Тезисы докладов XXXI научной конференции профессорско-преподавательского состава инженерного факультета российского ун-та Дружбы Народов.-М., 15-20 мая 1995. Рус.,англ., - с.50.

3. Алышев В.М., Моса Джамаль Гази. Теория и расчеты неустановившегося движения воды в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальными аппаратами / Тезисы докладов научно-технической конференции Московского гос.ун-та природо-обустройства. Строительная секция. - МГУП, М., 25 - 26 апреля 1996. Рус. с. 47-48.

4. Алышев В.М., Моса Джамаль Гази. Основные положения методики расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети с автоматическими импульсными дождевальными аппара-

тепли / Тезисы докладов научно-технической конференции Московского гос.ун-та природообустройства. Строительная секция. - М., 25-26 апреля 1996. Рус., с. 48-49.

5. Алышев В.М., Moca Джамаль гази. Основы теории и методика расчета неустановившегося напорного движения воды в трубопроводной сети, оборудованной импульсными дождевальными аппаратами

/ МГУП - Россия, Москва. - 41 е.: ил.6, библиогр.16газв. Рус., деп. в ВИНИТИ 22.11.96, № 3404 - В96.

6. Moca Джамаль Гази. Методика расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами / МГУП - Россия, Москва, 53 е.:

ил.10, библиогр.28 назв., рус., деп. в ВИНИТИ 22.11.95, Й3403-В96.

7. Алышев В.М., Moca Джамаль Гази. Теория и методики расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АИДА". - в сб.: Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства. / Тезисы докладов научно-технической конференции Московского гос.ун-та природообустройства. - М., 1997, рус.,с.84.

8. Рыбаков И.В., Moca Джамаль Гази. Численный расчет оросительной сети с импульсными дождевальными аппаратами. - в сб.: Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства / Тезисы докладов научно-технической конференции Московского гос.ун-та природообустройства. - М., 1997. рус., с. 94-95.

®

Московский государственный университет природообустройства (МГУП)

ЛР № 020360 от 13.01.1992

Зак № в о О Тираж Юо