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

на правах рукописи

МОСА. ДЖАМАЛЬ ГЛЗИ

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ГВДРЛШШЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ, ОБОРУДОВАННЫХ АВТОМАТИЧЕСКИМИ ИМПУЛЬСНЫМИ ДОЗЭДЕВАЛОТШ АППАРАТАМИ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология:

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кайедре гидравлики.

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

Ведущая организация - А/0

доктор технических наук, профессор В.М.АЛИ'ЕВ

доктор технических наук, профессор А.В.ММ1УЕВ

кандидат технических наук, доцент С.П.ИЛЬШ

ЮДШШВЮОРМПРОЕКТ

Защита диссертации состоится " 30 " июня 199? года в _15__час. 00 мин, на заседании диссертационного совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природо-обустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП Автореферат разослан " 2-3 " 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н. сх^и^- И.М.Евдокимова

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время одним из наиболее прогрессивных способов в области техники полива является автоматическое импульсное довдевание, 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 дождь, 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 также, 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 вода 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 воды из трубопроводной сети (типа "АИДА"), и системы с дождевателями принудительного действия (типа "Коломна-15"), отличающиеся наличием коллектора и генератора импульсов, который обеспечивает поочередную работу группы довдевальных 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 "ядущэм" режиме по сигналам понижения

- г -

давления в сети. Аппараты 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, гидроподкормщик, коктролыго-чзмерительное оборудование), что обходится экономически дороже, чем системы с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АЦДА".

Преимуществами трубопроводных оросительных сетей с автоматическими импульсными дождевальными аппаратами "АИДА" также являются использование трубопроводов малого диаметра (магистральные трубопроводы d- 50...180 мм, распределительные - с/ = 15...50 мм), рациональное использование водных 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 дождевальными 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 довдеватэля был рассмотрен по изотермическому закону. При этом не были учтены изменение давления, создаваемого переменным сдоем вода в камере "АИДА" и процесс теплообмена между воздухом, находящимся в камере дождевателя, и окружаицей средой.

Цикл работы автоматического импульсного довдевалъного аппарата "АИДА" состоит из $азы накопления и фазы выстрела.

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

Поэтому разработка теории и методик расчета нестационарных и переходных гидравлических процессов в трубопроводах системах с "АИДА" 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 "АИДА" при различном их расположении в сети, для численного исследования влияния этюс аппаратов на гидравлические характеристики сети и оптимизации их . 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 условия™, с учетом процесса теплообмена между воздухом в рабочей камере и окружающей средой и других факторов;

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

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

- рассмотрение взаимного влияния дождевателей "АИДА" 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 "АИДА", и окружающей средой, с учетом изменения глубины воды в рабочей камере "АВДА" и других факторов.

Предлагаемые методы расчета трубопроводных 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 параметров импульсного дождевателя при проектировании систем с "ЛЩА" и повысить надежность и безаварийную эксплуатацию этих систем.

Достоверность результатов базируется на применении ранее неоднократно экспериментально проверенных уравнении 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).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Импульсные довдеватели, 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;

З.А.Сандабаев, 1974...1985; Н.Ф.Гульков, 1974...1988; Ю.Н.Милинс-кий, 1974.. .1987; Г.П.Примов, 1982...1988; Г.П.Лямперт, И.А.Лозовский, 1989...1990; Г.С.Ратушняк, И.В.Коц, 1986...1988; В.Мириель, 1985; С.А.Рабинович, 1987; В.С.Алтунин, 1988; !,1.А.2арский, 1986... ...1993 и другие.

Далее в работе приводятся описание конструкции, принцип деис-твия и достоинства автоматического импульсного дождевального аппарата "АВДА" (см. рис. Г).

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

- <|азы накопления, во время которой происходит накопление вода в рабочей камере дояздевагеля и абсолютный напор поднимается до максимального заданного значения Нпах;

- <|азы выстрела, во время которой осуществляется выброс вода из аппарата и абсолютный напор понижается под переменным напором от нтаг Д° заданного .минимального значения Я „¿^ .

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

Далее предлагаются основные предпосылки расчетов на ЭВМ 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, описываюцие 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.А.Чарннй, В.М.Усаковский, Б.Ф.Лямаев, А.А.Атавчн, В.И.Висоарио-нов, Н.Н.Аршеневский, А.В.Мишуев, В.М.Алышев, К.П.Вишневский, Л.Еержерон, Д.А.Фокс, Уайли, Д.Людвиг, Г.Еванжелисти, Голдберг, Гуанг Лин, Шимада Машаси, Китагава, Танбавди, Д.С.Вижкерт, Т.Л. Тайзингер, В.Цильке, Вичовскир и многие другие.

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

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

I - напорный трубопровод; 2 - соединительный трубопровод; 3 - гвдровоздушная камера; 4 - подводящая трубка; 5 - камера давления; б - дифференциальный клапан; 7 - поршень; 8 - пружина; 9 - ствол с насадком

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

Анализ теоретических исследований "АЩА" и других импульсных дождевателей показал, что полученные расчетные форлулы 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, на 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 шопа 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 "АИДА" при Мд, = 2 (см. расчетную схему, рис. 1,а,б).

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

Н-Н*-М/ИЛ , (!)

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

Рассмотрим фазу накопления, в течение которой вода поступает в рабочую камеру аппарата. За интервал времени cít объем воды % в дождевальной пушке изменится на

гЩ - Вл М - - № (2)

Тогда расход вода, поступающий в аппарат "АВДА" в какой-то момент времени t , равен

гнЫ

¿г

и*-

н,

'(«л

(3)

В соответствии с уравнением баланса расходов жидкости в узле М имеем ¿-^

где - 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

" Ч - О, (5)

где и соответственно скорости в сечениях трубопровода

(М,-Я,) и (-V,- Ц) в момент времени ¿; и соответствен-

но площадь живого сечения в " ¿/'-ой и " ¿¿-ой ветви, ^ордя

= Ц^утды^-Ц^итд^к) (6)

Из уравнений соотношений на прямой и обратной характеристике имеем „ -

7/ =-~1/ и 4.7Г

"К*) а,Щ

ИЛИ л-

^ ' ; (7)

Цн-г^Л)

аЬ

аг -¿О+'

ьА

или

(8)

где формулы для определения величин ¿', и ¿'г приведены в диссертации; Л^-лй. и ^„¿-¿Г соответственно абсолютные напоры и скорости в сечениях трубопровода (Л'-У)-(Л'-У) и (Л4-/)--0У+/) на расстоянии дХ выше и ниже узла М (или в безразмерных длинах на I) в момент времени ^./^-¿ц. соответственно коэффициенты Дарси в ¿'/-ой и в -ой ветвях трубопроводной сети в сечениях, находящихся на расстоянии ЛХ ваше и ниже узла М в момент времени (г'-д?); р- ускорение свободного падения; с{<, с£г -диаметры ¿,-ой и /¿-ой ветвей трубопровода; и,, -скорость распространения звука в трубопроводах (/У-1 )-Л> и ^-(/^+-1). Дяя однород-

ной жидкости Ъ определяется по формуле Кортвега-Жуковского

где Еж - модуль объемной упругости жидкости; - модуль упругости материала стенок /-ого трубопровода; гу- толщина стенок г-ого трубопровода; уз — плотность жидкости; - диаметр л -го трубопровода.

Первое приближение (без учета давления, создаваемого переменный слоем воды в рабочей камере "АИДА"). Допускаем, чтоЛ^/^я

• Тогда с Учетом (3), (5), (7) и (8) получим уравнение дли определения напора в узле М

• (Ю)

где формулы для определения величин А, В и С приведет в диссертации; т- /+ ^ .

Нелинейное уравнение (ТО) решается по методу итерации.

После вычислении из (ю) необходимо определить и по (7) и (8), а также расход О;^ по (б).

Фаза выстрела, в течение которой осуществляется выброс вода из дождевателя и объем вода Щ за интервал времени сИ в рабочей камере аппарата изменяется на ^ = -¿¡У.

При этом расход воды, поступащий в аппарат во время выстрела в момент времени ? , равен

п

и(Ф~ ль

„А „А

, СП)

где и расход, выбрасываемый из аппарата соответствен-

но в момент времени/и

^ • ; (12)

1г>м- площадь живого сечения насадка "АИДА";коэффициент расхода насадка "АЙДА"; Нат - напор, соответствующий атмосферному давлению Рат. При допущении, что Н^ф -Ць^) « Н(куЦ » и с УЧ0ТОМ (5), (7), (8) и (II) получим '

ВКАЛ^+ЯФнЧ 4 ' 0 (13)

Формулы для определения величин В/, кг, и С, приведены в диссертации.

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

твенно по (7) и (8), а такие значения расходов но (ц) и по (12).

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

В момент временя / напор в узле М в сечении (л-//) равен

Г Л *

у»(«л+ к;

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

фаза накопления. Допуская, что напор в узле М в сечении (Л'-У) равен напорам Ц^о и соответственно в сечениях (Л/ —/)£.) и примыкающих к узлу М, с учетом (3), (5), (7), (8) и (14). получим ^

+ + гз " 0 (15)

формулы для определения величин %г ж 23 приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (15) решается методом итерации. После вычисления Я(м^) из (15) по формуле (14) определяется значение напора Н(и^), а затем по (7) и (8) - значения скоростей Ц,^) и в сечениях к , по (я) - значение расхода

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

Формулы для определения 2>, и приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (16) решается по методу итерации. После нахождения напора из (16) вычисляем напор но (14), а затем определяем скорости %/,/) и соответственно в сече)шях (А/,-У,) и по формулам (7) и (8), определяем расход по

(12) и расход - по (II).

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

Л'~/ маломиг/ "У

г/иттссееа \ I I "АИА*'

О

Мг /V

Рис. 2. Тупиковое ответвление с "АИДА"

Фаза накопления. Допускаем, что = //см^ »

который определяется по (14). С учетом (3), (5), (7) и (14) получим + ^г*,*' + = ° (17) формулы для определения 2>, и %9 приведены в диссертации. После определения Я^^ из (17) вычисляем расход по (3), скорость по (7) и напор Л^/уПО (14).

Фаза выстрела. Подставив в (5) ¿¡^/у по (7), допуская, что = и определял для фазы выстрела по (II), с учетом (14), получим

+ К + [ А" 4 1+ = 0 ^ 18)

формулы для определения 2/с , приведены в диссертации. По аналогии с предыдущим определяем все параметры, характеризующие неустановившееся движение воды.

Рассмотрим узел соединения ветвей ? 3 ), в котором установлен "АИДА" (см. рис. 3 и рис. 1,а,б).

И«

11«

Рис. 3. Узел разветвления с "АЦДА"

Уравнение неразрывности тлеет вид /» Мм

У^ЛАугвм = о , (19)

¿ = /

где (Ирд - расход в каждой I -ой ветви в сечении, примыкающем к узлу, в момент времени/. Расхода ва,е> вычисляются по формуле

> <20)

где 4. =(-/)й ; зе = 0 для прямой характеристики и Э? = / для обратной характеристики; М1- 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 ¿¿¡гп (¿) {Л = +/ при положительном значении I и Л = -/ при отрицательном значении I ).

Фаза накопления. Пренебрегая местными потерями напора в узле имеем = =- ••• = = ••• = = С учетом (3), (14), (19) и (20) получим

'Формулы для определения , 6г > приведены в диссертации.

Нелинейное уравнение (21) решается по методу итерации. После определения из (21) следует вычислить по (14> = 1/иц .

Далее по зависимостям (20) определяются расходы О^ о , а затем скорости и^л - вал /и>1 .

Фаза выстрела. По аналогии с ^азой накопления, пренебрегая местными потерями в узле, с учетом (И),(14) ,(19) и (20) получим --

+ + Ън^в3 - 0 , (22)

где в/, и определяются по формулам, приведенным в диссертации.

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

Граничные условия

I. Тупик (рис. 4). "

\

От

ы-/

Рис. 4. Тупиковое ответвление

При отсутствии разрыва сплошности потока в конце тупикового ответвления в сечении (М-//) (рис. 4) скорость равна нулю, т.е. "Рт = 0. С учетом этого полученная формула для определения напора в тупике имеет вид

"щи "ти-ц-Л) % "тм-цл) "гш-^-лЦ

ьЬаг (23)

2. Узел разветвления, где соединяется Мд, трубопроводов (рис.5!

®

1 е

1»

Рис. 5. Узел разветвления

Скорость в £ -ой ветви узла Мд. равна

а(

(24)

В любом узле сети трубопровода выполняется условие неразрывности

= О,

(25)

где - площадь живого сеченш ¿' -ой ветви.

Пренебрегая местными потерями напора в узле имеем = И^^ = = М(з•= • Тогда в соответствга с (24) и (25) получим ,

Н,%

Ш)" '

где формула для определения т£ приведена в диссертации.

При найденном значении расходы (¡¿¡н^) в каждой ветви, примыкающей к узлу, вычисляются по формуле (20).

(26)

3. Задвижка (рис. б).

/V-/

у

' а.

I

N-1

нХГ"

I

N

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

в Уга.н {^(»л.<»,{)-Наг) Напор определяем, решая нелинейное уравнение

2Щ й

%

'¿(н-'^-М)

^¿.(//-/.¿-лЦ

А^-а,

(27)

(28)

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

числяем скорость Р&мо 110 (27), а затем расход .

4. Насосный агрегат.

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

= ~ ? пе№*) №(**■*)+"(**)), (2Э)

где М/л- момент, потребляемый насосом в начале интервала времени М (^1) - момент, потребляемый насосом в конце интервала времени ; ¿р = & л /л 0 ; п0 - частота вращения при нормальном режиме работы насоса.

Тогда с учетом (29) и />ь =у}(г.й() * АуЪ по аналогии с методикой, приведенной в докторской диссертации В.М.Алышева, получга

(30)

где ^ = {Ц,„-мг); = т?/51По(&[)г) ; пг = С0,01 * 0,02)1,1^; М- суммарный момент, потребляемый насосом при нормальной частоте вращения п„=п*

Для определения расхода 0(е_{) и напора в сечении трубо-

провода 0-0 за насосной установкой решаем совместно уравнение соотношений на обратной характеристике

О,

Г^-аО

(31)

и уравнение характеристики насоса &-Н для момента времени / при частоте вращения п{ р

+Л°<А ' (32)

где Ау. Со - эмпирические коэффициенты, характеризующие марку насоса.

При этом получим > +

В<**>' ¡Со (33>

Формулы для определения ¿>г и приведены в диссертации.

После вычисления по (33) и ^ по (30) вычисляем шор

по (31) или по (32). 3 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 йт определяем по формуле Цьютона-Рих-

мана вт - осГлП , (34)

где л Т = Гв-Тс; а Т - разность температур; Тв - температура воздуха; Тс - температура среда; ос - коэффициент теплоотдачи; Г - поверхность теплообмена.

Суммарный приток (отток) тепла

вт - ¿V, Огл + Огл > С35)

где ДГ/ - приток (отток) тепла от вертикальной поверхности камеры; От г ~ приток (отток) тепла от горизонтальной поверхности камеры; - приток (отток) тепла от поверхности жидкости.

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

Уравнение сохранения энергии квазиидеального газа в "АВДА" имеет вад / ( сМ Г-/ сЮт \ .

Фаза накопления. Объем воздуха в камере "А1ЩА"

Р336« IV* УГя-М/в > (37)

где % = C0nst - объем камеры "АИДА".

Тогда в -¿щ/м (за)

В соответствии с уравнением неразрывности

йЩ/еИ = вя (зэ)

С учетом (36), (38) и (39) получим

УН ¿1 ^¡т /

откуда следует

/ ¡.„¿Н У-1 {¿Ог\

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

и)т гЛ(^ул1 + 1з > (42)

Формула для определения величины Хз приведена в диссертации. Напор Н(иц в узде М в сечении (Я-ЛО в момент времени t

г

Высота слоя воздуха Я(ев£) в момент времени t и а г-и

Яш&з^щ --¿¡О-, (

где £2/ - площадь поперечного сечения рабочей камеры "АИДА".

Из (42) определяем напор "<**> —(45)

Первое приближение (без учета потери напора в узле М и без учета изменения глубины в камере). Допускаем, чтоН^ц = -^./У = = = • С учетом (5), (7), (8) и (42) получим формулу для определения напора

"ЯлМг (46)

Формулы для определения Вг и ^ приведены в диссертации.

Второе приближение (с учетом потери напора и изменения глубины в камере). Учитывая (5), (7), (8), (42) и (43) получим квадратное уравнение . * (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 по (46). Затем определяем скорость , решая уравнение (47). Далее находим скорости и соответственно по (7) и (8) при =

= ~ = Н(к^) » Далее вычисляем по (43) напор с уче-

том потерь напора в узле и изменения глубины в камере "ЛИДА", по (7) и (8) уточняем и и из (5) находим уточненное зна-

чение скорости .

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

» + в ("А » (48)

где формулы для определения Уг и приведены в диссертации.

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

*ЕЛ -¿и„ #ат} » О , (49)

где формулы для определения Е, и приведены в диссертации.

Из (49) определяем напор в первом приближении.

Второе приближение (с учетом потери капора и изменегой глубины в камере). Допуская, что = Н(нг,а - Л(н,И » 0 летом (5), (7), (8), (43) И (48) получим

+ г, *е,и(кЬ * б3 - О (50)

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

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

Рассмотрим узел трубопроводной сети в конце тупикового ответвления с установленным в нем "АИДА" (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) 1/ ,. иР^.Ар - ¿з и)т /ГТЛ т. хО^ю + УзгЛт

Формулы для определения , ¿3, зя, и У3 приведены в диссертации.

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

¿А*,*) + ¿¿У*,*) + 51 "ки + Б" (52)

Решая квадратное уравнение (52), находим скорость пос-

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

Фаза выстрела.

Первое приближенно. Без учета потери напора и изменения глубины вода в камере "АИДА". О учетом (4), (7) и (48) при -= Исм^) - Я(/е/) получим формулу для определения напора

и - "йм1> (53)

Второе приближение. С учетом потери напора и изменения глубины воды в камере "А1ЩА" при = ^(м^) получим

+ ЛАк^) + *и3- - о (54)

Решая квадратное уравнение (54) после вычисления Нгк.г) по (53), находим скорость 11 далее определяем значения всех

величин.

Рассмотрим узел разветвления, в котором соединяется Мн ветвей (/Ц, ^ з) с установленным в нем "АИДА" (рис. 3, рис. 1,агб).

Фаза накопления.

Первое приближение. Пренебрегая местными потерями напора в узле М, имеем = = = •••= = = .

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

я ]Е>< ~1*'1£>т/ ТА * 0с (55)

Формулы для определения , , /] и 6а приведены в диссертации.

После вычисления Нщ) по (55) (первое приближение) следует вычислить скорость по (42) и расхода вцу по (20) с проверкой уравнения неразрывности (19).

Второе пщблидение. Уточняем значение напора Н^ц по (43) с учетом потерь напора и изменения глубины вода при выполнении условия = Ягыл.и =...= =•••= • с учетом (19), (20), (42) и (43) находил ^ ^ .

и _ ¿-*___(56;

где

50 = У + УЛ^)*^^) (57)

Далее из уравнения (19) определяем

гг (58)

при Н(ф = Мш,. Ы ^

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 "АВДА"). С учетом (19), (20) и (48) при 4я-Л</ = = = ••• = ЛМ = ... = ХГку получим

¿'Мм / \ __

у«/ \ ¿«/ /

После вычисления из (59) напора Н^ц находим по (12),

расход по (48) и т.д.

Второе приближение (с учетом потерь напора в узле и изменения глубины вода в камере "АИДА"). При Н<ц,,м = /^/у = ... = = = ••• = £ Нца с учетом (19), (20), (43) и (48) получим Г^ 1 --

= ^ (во)

Л»/ 1/5/ -I

Из (60) можно определить Н^) • Задача решается по методу последовательных приближений. Принимаем ~ Цх^-лО и в первом

приближении по формуле (57) вычисляем . После этого, решая (60), определяем ./^¿у , далее находим И^) по (43) и т.д. по методике, 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 трубопроводах 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 граничными условиями. Приведены также вывода 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 о 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 доидевателями, 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 дождевателя

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00

Время, с

Рис. 9.

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

связанных с неточным заданием начальных условий.

В главе также излагаются задачи дальнейших исследований по данной проблеме.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработали 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 между воздухом, находящимся в рабочей камере "АВДА", и окружающей средой, с учетом изменения давления, создаваемого переменным слоем вода 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 уравнеши сохранения энергии ква-зтэдзалького 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 системы.

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 дождевателя и, следовательно, на все гидравлические характеристики напорной системы, 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 решения уравнений, описывающих неустановившееся движение жидкости в напорных трубопроводах в наиболее удаленных от насосной станции узлах.

6. Предлагаемые метода 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 доядева-теля при проектировании систем с "АИДА" и повысить надежность и безаварийную эксплуатацию этих систем.

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

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Алышев В.М., Моса Дкамаль 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 Дкамаль Гази. Нестационарные гидравлические процессы в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальными аппаратами /LLnstionary hydraulic processes in pipc/ine networi, equpcrt ¿y automatic/трике зрпяЛ/еъ 'irrigation guns'. /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 Джамаяь Гази. Теория и расчеты неустановившегося движения вода 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 Дкамаль Гази. Основные положения методики расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети с автоматическими импульсными дождевальными аппара-

тами / 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 Дяамаяь Газ и. Основы теории и методика расчета неустановившегося напорного двоения воды в трубопроводной сети, оборудованной импульсными дождевальннми аппаратами

/ 1ЛГУП - Россия, Москва. - 41 о.: ил.6, библиогр.Гбдазв. Рус., деп. 0 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, бяблиогр.28 назв., рус., деп. в ВИНИТИ 22.11.96, Ш403-В96.

7. Алышев В.М., Moca Джамаль Гази. Теория и методики расчета нестационарных гидравлических процессов в трубопроводной сети, оборудованной автоматическими импульсными дождевальннми аппаратами "А1ЩА". - 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. Чделенный 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 № Тираж Юо