3848

В качестве аппаратуры для фото- и киносъемок конфигурации капель и минипотока жидкости использовались: цифровой зеркальный фотоаппарат Sony—550 в комплекте с системой макроколец Kenko Extension Tube в режиме непрерывной многокадровой съемки и цифровая видеокамера Sony (модель HDR—CX250E). В качестве жидкости для образования капель и создания минипотока на стенде использовалась питьевая вода. На стенде в динамических условиях исследовались геометрические и гидравлические характеристики минипотока, образуемого в результате передвижения определенной (критической для начала течения) массы жидкости по открытому лотку при различных значениях его уклона, создаваемого специальным механическим домкратом и контролируемого системой сообщающихся трубок.

Рис. 1. Схематичное изображение экспериментальной установки при максимальном уклоне желоба: 1 — опорная рама; 2 — эстакада; 3 — открытый желоб (лоток) с нанесенным защитным покрытием; 4 — стойки; 5 — система сообщающихся сосудов; 6 — мерные линейки; 7 — планка управления; 8 — пипетка с водой; 9 — штанга механического домкрата; 10 — сборник капель;

11, 12 — соответственно фотокамеры фронтальной и коаксиальной съемки потока

Общий вид минипотока при определенном уклоне i рабочей поверхности представлен на рис. 2. Головная и хвостовая части минипотока представлены в виде объемной структуры (половины шарового сегмента) соответственно АВСDА и А’В’С’D’А’. Их проекции на вертикальную плоскость могут изображаться в виде линзы (части окружности). Эксперименты заключались во фронтальной и коаксиальной фото- и киносъемке и определении геометрических размеров минипотока, математическом описании очертаний и элементов минипотока: высот верхней Н и нижней линз h, уравнений верхней линзы и касательной к ней в месте пересечения с горизонтальной плоскостью, краевых углов α, площадей линз S (например, для верхней линзы Sвер = 2aH / 3) и других параметров.

Исследования степени гидрофобности проводились на наиболее распространенных материалах защитных покрытий для труб: полипропилене, полимерном рукаве зарубежных фирм Per Aarsleff (Дания) и Wawin (Голландия), тонких защитных пленках фирмы «3М» (США) и т. д. Кроме того, исследованию на предмет гидрофобности подлежало покрытие SmartSurface, разработанное фирмой FUJIFILMHUNT (Бельгия), которое относится к категории гидрофобных.

31

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 2. Аксонометрическая схема минипотока, образующегося в результате течения критического объема жидкости по наклонному желобу:

a, L — соответственно средние значения ширины и длины компактной части минипотока; Н, h — соответственно высоты верхней и нижней линз;

b — высота половины шарового сегмента головной части минипотока; АFC, АА`C`C — соответственно смоченные периметр и поверхность компактной части минипотока (S, см); i — уклон желоба

В качестве механизма расчета геометрических и гидравлических параметров по соответствующему алгоритму, а также степени гидрофобности использовалась специально разработанная компьютерная программа [4]. Результаты автоматизированного расчета выводились непосредственно в Microsoft Word. При этом применялась разработанная компанией Microsoft технология OLE (Object Linked and Embedding) [1].

2. Результаты и дискуссии по исследованию гидрофобности. В качестве примера на рис. 3 представлены фрагменты фронтальной и коаксиальной съемок минипотока на желобе, покрытом защитным покрытием фирмы «3М».

Рис. 3. Выборочные фрагменты фронтального (слева) и коаксиального (справа) снимков

Анализ фотографий на рис. 3 показывает, что данное покрытие по величине краевого угла можно оценивать как гидрофильное, так как краевой угол (под которым понимается угол между касательной к поверхности капли и смачиваемой поверхностью, где вершина угла лежит на линии смачивания) составляет величину порядка 450 (табл. 1). Оценку степени гидрофобности проводили путем определения относительного коэффициента гидрофобностиKотн:

Kотн Sвер ,

(Sсм) i

где Sвер — площадь верхней линзы (АВСОA), мм2; Sсм — площадь смачивания поверхности желоба (АА`C`C) компактной частью L минипотока по ширине.

32

Наибольший интерес вызвали натурные эксперименты с покрытием Smart Surface, где выявлялись зависимости ширины потока а, высот Н верхней и h нижней линз от массы N минипотока в широких диапазонах уклона i желоба, который составлял от 0,01 до 0,11. В отношении изменения таких геометрических параметров, как средняя ширина потока а и высота h нижней линзы в исследованном диапазоне массы жидкости N, можно констатировать, что эти величины практически не изменяются, а компенсация увеличения поступающей на желоб массы N отражается на длине L компактной части минипотока в сторону ее увеличения. В свою очередь, характер изменения Н = f (N) показывает, что при малых значениях N высота H больше, чем при больших N, т. е. чем больше масса N минипотока, тем меньше высота Н верхней линзы. Причиной является своеобразная «нивелировка» высоты H за счет изменения средней длины L компактной части минипотока, что можно охарактеризовать как эволюцию минипотока в сторону увеличения его ширины. Краевой угол составил величину порядка 780, что позволило подтвердить высокую степень гидрофобности покрытия.

Рис. 4. Графики зависимости параметров ширины а, высот H и h от массы минипотока N в широких диапазонах уклона i желоба

Выводами из анализа зависимостей a = f (N), Н = f (N) и h = f (N) может служить то, что эксперименты по определению степени гидрофобности исследуемых материалов на стенде могут проводиться при любом уклоне желоба с возможностью формирования относительно стабильной длины L компактной части минипотока и меньшими временными затратами.

Используя полученные в ходе экспериментов геометрические размеры и средние скорости минипотока, с помощью автоматизированного расчета определяли весь спектр необходимых гидравлических параметров исследуемых защитных покрытий с конечным выходом на коэффициент шероховатости соответствующего защитного покрытия n.

В качестве примера в табл. 1 приведены результаты исследования гидрофобности двух покрытий (полипропиленовой пленки и покрытия фирмы «3М») в виде опытных данных, расчетных геометрических параметров минипотка и гидравлических характеристик.

Таблица 1 Результаты расчета геометрических параметров и гидравлических характеристик минипотока

в лотке диаметром d = 130 мм при уклоне i = 0,11

33

Научный журнал строительства и архитектуры

Алгоритм расчета гидравлических показателей состоит в определении: наполнения (h/d) и смоченного периметра (длина дуги AFC) минипотока; среднего гидравлического радиуса R; скорости минипотока V как частного от деления пути П, пройденного головной частью минипотока за время Т, фиксируемое секундомером; коэффициента Шези C, зависящего от гидравлического радиуса R, скорости V и уклона i, определяемого по формуле

V

C ,

Ri 0,5

а также коэффициента относительной шероховатостиn с использованием формулы Маннинга:

C1 R16.

n

Согласно представленной методике расчета коэффициент шероховатости n по Маннингу для полипропилена по результатам опытов составил n = 0,0132 при относительном коэффициенте гидрофобности Котн = 1,0655. Для других защитных покрытий коэффициент шероховатости варьировался в диапазоне 0,009—0,0098, а коэффициенты относительной гидрофобности соответственно в интервале 1,075—1,098 (для покрытия Smart Surface — 1,098). Таким образом, была обнаружена корреляция между коэффициентами относительной гидрофобности и шероховатости: чем выше гидрофобность, тем меньше шероховатость материала. Получаемая расчетная информация может рассматриваться как вспомогательный инструмент для специалиста-проектировщика по оценке гидравлических показателей соответствующего типа защитного покрытия.

3.Методы и аппаратура для исследования микротурбулентности потока жидкости

воткрытых лотках в целях повышения его транспортирующей способности по перено-

су взвешенных частиц. Для исследования явлений вихреобразования (микротурбулентности) в открытых лотках со структурированной поверхностью был разработан специальный гидравлический стенд (рис. 5) [3].

На стенде посредством создания светотеневого эффекта с использованием кино- и фототехники фиксировались картины взмучивания и передвижения песка разных фракций в широком диапазоне расходов (скоростях течения потока). В качестве рифленых поверхностей использовались 10 типов групповых препятствий, расположенных на дне лотка диаметром 130 мм по обе стороны от его оси. Препятствия выполнялись из полимерных материалов, имеющих незначительную шероховатость. Наполнения в лотке на данном этапе экспериментальных исследований принимались сопоставимыми с диаметром наибольших фракций песка (порядка 2—3 мм).

34

Рис. 5. Схематичное изображение испытательного стенда по исследованию турбулентности и транспортирующей способности потока жидкости оптическими средствами:

1 — неподвижная рама; 2 — подвижная платформа; 3 — открытый лоток; 4 — резиновый гофрированный патрубок; 5 — накопительная емкость для жидкости;

6 — съемный сетчатый уловитель инородных дисперсных включений; 7, 8 — фотокамеры соответственно фронтальной и коаксиальной съемки; 9 — источник светового излучения; 10 — механический домкрат;

11 — водная магистраль; 12 — гибкие прозрачные сообщающиеся трубки; 13 — подвижные мерные линейки; 14 — планка; 15 — лазерный отвес; 16 — приемная мерная емкость

4. Результаты и дискуссии по исследованию транспортирующей способности тру-

бопроводов. В качестве примера ниже приведены результаты поисковых экспериментов по визуальному и гидравлическому исследованию препятствий в виде «елочки», т. е. прямоугольных брусков высотой 2 мм, расположенных на гидрофобной поверхности Smart Surface и установленных под углом 300 по отношению к оси лотка.

В табл. 2 и 3 представлены соответственно динамика выноса песчаных примесей диаметром фракций 2,5—3,0 и 0,1—0,3 мм.

Анализируя данные табл. 2 и 3, можно констатировать, что эффективный вынос частиц песка осуществляется при скоростях, близких к самоочищающим при диаметре фракций 2,5—3,0 мм: на лотке наблюдается интенсивный смыв песка массами воды и его транспортировка. Использование светотеневого эффекта констатирует наличие турбулизации потока при повышении скоростей течения. Несколько иной эффект характерен для мелкой фракции песка (0,1—0,3 мм): здесь наблюдается не сплошное, а порционное и достаточно медленное смещение песка по направлению течения потока. Характер движения можно описать как хаотичный, где вблизи от гидрофобных выступов препятствий наблюдается своеобразный отток песчаной массы со смещением гряд песка к центру лотка.

Так как эффективность транспортировки взвешенных частиц зависит не только от скорости течения воды, но и от наполнения, в последующих экспериментах будет изучена транспортирующая способность потока при последовательном ступенчатом увеличении наполнений при наличии разновеликих по высоте искусственных препятствий в диапазонах чисел Рейнольдса, соответствующих турбулентному режиму для открытых русел. В перспективе также планируется проведение экспериментальных исследований по определению оптимальной конфигурации препятствий и их шага, т. е. характера рельефа, содействующего волновому процессу.

35

Научный журнал строительства и архитектуры

Таблица 2

Динамика изменения картины выноса загрязнений диаметром фракций 2,5—3,0 мм в зависимости от скорости течения потока

Картина зон микротурбулентности потока

Скорость течения воды, м/с

и эффективности выноса песчаных примесей

0,2—0,3

0,4—0,5

0,6—0,7

Таблица 3

Динамика изменения картины выноса загрязнений диаметром фракций 0,1—0,3 мм в зависимости от скорости течения потока

Картина зон микротурбулентности потока

Скорость течения воды, м/с

и эффективности выноса песчаных примесей

0,2—0,3

0,4—0,5

0,6—0,7

36

С инженерной точки зрения проведенные исследования и полученные результаты согласуются с рядом теоретических и практических наработок зарубежных исследователей, изучающих явления переноса взвешенных веществ потоком жидкости и его моделирования на горизонтальных участках труб [8], а также вопросы изменения русел и характера течений, которые приводят к инициации волновых процессов и увеличению протяженности областей пульсации скоростей [9, 11].

Выводы

1.Впервые исследованы режимы течения жидкости и описан характер турбулизации минипотока в открытом лотке с транспортировкой взвешенных веществ на гидрофобном защитном покрытии.

2.Разработанные нами методики, включающие алгоритм взаимодействия структуры исследуемых труб с движением потока жидкости, а также создание и апробация работы новых конструкций гидравлических стендов, использование автоматизированной программы расчета геометрических, гидравлических и гидрофобных показателей позволяют исследователям проводить оперативную оценку практически любого типа потенциальных защитных покрытий трубопроводов, которые подвергаются бестраншейному ремонту или модернизации.

3.Конструкции малогабаритных стендов для исследования гидрофобности и транспортирующей способности потока могут конкурировать с крупногабаритными гидравлическими установками в плане сокращения денежных затрат на их строительство, а также оперативности производства натурных испытаний.

Библиографический список

1.Зоткин, С. П. К вопросу о сопряжении прикладных программ с Microsoft Word / С. П. Зоткин, Б. С. Садовский, И. А. Зоткина // Вопросы прикладной математики и вычислительной механики. — 2014. —

№17. — С. 260—263.

2.Пат. РФ на полезную модель № 157695, МПК G01N13/00. Испытательный стенд по определению степени гидрофобности материалов для изготовления труб и ремонта трубопроводов / В. А. Орлов, И. С. Дежина, Е. В. Орлов, И. А. Аверкеев. — Дата рег.: 29.04.2015; номер заявки: 2015116301.

3.Пат. РФ на полезную модель № 176330, МПК C08J 7/00; G01N 13/00; G01B 9/00; G01M 13/02.

Испытательный стенд по исследованию турбулентности и транспортирующей способности потока жидкости оптическими средствами в открытых лотках при различном рельефе их внутренней поверхности / В. А. Орлов, И. С. Дежина, А. А. Пелипенко, Е. В. Орлов. — Дата рег.: 17.03.2017; номер заявки: 2017108956.

4.Свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2017612281 (2017). Программа расчета

степени гидрофобности и гидравлических параметров труб и защитных покрытий / авт. и патентообл. В. А. Орлов, С. П. Зоткин, И. С. Дежина, А. А. Пелипенко; заяв. № 2016664669 от 28.12.2016.

5.Орлов, В. А. Прочностные характеристики двухслойных конструкций трубопровод — полимерный рукав / В. А. Орлов, О. Г. Примин, В. И. Щербаков // Вестник МГСУ. — 2012. — № 2. — С. 15—19.

6.Отставнов, А. А. К выбору труб для бестраншейного устройства трубопроводов водоснабжения и водоотведения / А. А. Отставнов, И. С. Хантаев, Е. В. Орлов // Пластические массы. — 2007. — № 3. — С. 40— 43.

7.Ariaratnam, S. T. Comparison of Emitted Emissions between Trenchless Pipe Replacement and Open Cut

Utility Construction / S. T. Ariaratnam, S. Sihabuddin // Journal of Green Building. — 2009. — Vol. 4, Issue 2. —

P.126—140.

8.Arolla, S. K. Transport Modeling of Sedimenting Particles in a Turbulent Pipe Flow Using Euler-Lagrange Large Eddy Simulation / S. K. Arolla, O. Desjardins // International Journal of Multiphase Flow. — 2015. — Vol. 75. — P. 1—11. — DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.04.010.

9.Charru, F. Selection of the Ripple Length on a Granular Bed Sheared by a Liquid Flow / F. Charru // Physics of Fluids. — 2006. — № 18. — P. 1—9.

10.Choi, С. Effect Slip and Friction Reduction in Nanograted Superhydrophobic Microchannels / С. Choi, U. Ulmanella, J. Kim, C. Kim // Physics of Fluids. — 2006. — № 18. — P. 87—105.

11.Coleman, S. Bed and Flow Dynamics Leading to Sediment-Wave Initiation / S. Coleman, V. I. Nikora // J. Water Resources Research. — 2009. — Vol. 45, Issue 4. — P. 1—12.

37

Научный журнал строительства и архитектуры

13.Grossmann, S. Curvature Effects on the Velocity Profile in Turbulent Pipe Flow / S. Grossmann, D. Lohse // The European Physical Journal E. — 2017. — Vol. 40, № 16. — P. 1—10. — DOI: https://doi.org/10.1140/ epje/i2017- 11504-x.

14.Janssen, A. Importance of Lateral Structural Repair of Lateral Lines Simultaneously with Main Line Cipp Rehabilitation / A. Janssen // 31 NO-DIG International Conference and Exhibition. — Sao Paulo, Brasil, 2012. — Vol. 012287. — P. 1—10.

15. Kidanemariam, A. G. Direct Numerical Simulation of Pattern Formation in Subaqueous Sediment /

A.G. Kidanemariam, M. Uhlmann // J. Fluid Mechanics. — 2014. — № 750. — P. 1—3.

16.Kuliczkowski, A. Rury Kanalizacyjne / A. Kuliczkowski. — Kielce: Wydawnictwo Politechniki Swietokrzyskiej, 2004. — 507 p.

T.J. McCarthy // Langmuir. — 2000. — Vol. 16 (20). — P. 7777—7782.

19.Rabmer, K. U. No-Dig Technologies — Innovative Solution for Efficient and Fast Pipe Rehabilitation / K. U. Rabmer // 29 NO-DIG International Conference and Exhibition. — Berlin, 2011. — Paper 2C-1. — P. 1—10.

20.Rameil, M. Handbook of Pipe Bursting Practice / M. Rameil. — Germany: Vulkan verlag Gmbh, 2007. —

310 p.

21. Wei, G. Analysis of Stability Failure for Pipeline During Long Distance Pipejacking / G. Wei, R. Xu,

B.Huang // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. — 2005. — Vol. 24, № 8. — P. 1427—1432.

22.Yang, Z. L. Dynamic Simulation of Sand Transport in a Pipeline / Z. L. Yang, H. Laux, Y. Ladam [at al.] // 5th North American Conference on Multiphase Technology. — Canada: BHR Group Ltd, 2006. — P. 200—204.

INVESTIGATION OF HYDROPHOBIC CHARACTERISTICS

AND TRANSFERRING CAPACITY OF PROTECTIVE COATINGS

USED FOR TRENCHLESS PIPELINE RENOVATION

V. A. Orlov 1, V. I. Shcherbakov 2, I. S. Dezhina 3

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) 1, 3

Russia, Moscow

Voronezh State Technical University 2

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Water Supply and Wastewater Removal, tel.: (499) 183-36-29, e-mail: orlov950@yandex.ru

2D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Hydraulics, Water Supply and Wastewater Removal, tel.: +7-980-345-99-00, e-mail:scher@vgasu.vrn.ru

3PhD student of the Dept. of Water Supply and Wastewater Removal, tel.: (499) 183-36-29, e-mail: dejina07@mail.ru

Statement of the problem. One of the most vital aspects of the trenchless method practice for renovation of dilapidated pipelines by applying internal protective coatings is searching for such repair materials that contribute to achieving a significant effect. The reconstruction works enable the achievement of the energy saving effect due to a small coefficient of hydraulic friction of protective coatings in pressure pipelines and the increase of the flow transfer capacity in free-flow pipelines by creating a design pattern of the pipe inner surface.

Results. The article presents the results of the performed studies on the hydrophobic characteristics of the protective coatings and the analysis of the efficiency of the transfer capacity of the pipeline structured surfaces in different versions of their performance when the water stream flows along an inclined surface as well as in an open chute simulating a non-pressure pipeline.

Conclusions. Experimental benches and algorithms of the methods for the study of the hydrophoby of the protective coatings and the transfer capacity at the corresponding artificial roughness pattern are presented and described.

Keywords: pipelines, renovation, trenchless technologies, protective coatings, hydrophoby, transferring capacity.

38

УДК 628.14

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЗАМЕНЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВОДОНАПОРНЫХ БАКОВ

НА МУНИЦИПАЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ

В. И. Щербаков 1, О. Н. Зубарева 2, Х. К. Нгуен 3

Воронежский государственный технический университет 1 Россия, г. Воронеж

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 2 Россия, г. Москва

Хошиминский университет природных ресурсов и окружающей среды 3 Вьетнам, г. Хошимин

1 Д-р техн. наук, проф. кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения,

тел.: +7-980-345-99-00, e-mail: scher@vgasu.vrn.ru

2Канд. техн. наук, доц. кафедры водоснабжения и водоотведения,

тел.: +7-905-578-64-36, e-mail: onzubareva@gmail.com

3Преп. кафедры водоснабжения и водоотведения, тел.: +7-952-950-58-53, e-mail: hcuongsgvn2003@gmail.com

Постановка задачи. Рассматривается задача определения экономической эффективности замены индивидуальных водонапорных баков на муниципальные резервуары для обеспечения потребителей необходимым расходом и требуемым напором (на примере г. Хошимина).

Результаты. Выявлено и научно обосновано определение стоимости жизненного цикла использования индивидуальных емкостей для воды, которая более чем в 14 раз превышает стоимость жизненного цикла с использованием муниципальных резервуаров.

Выводы. На основе гидравлического расчета водопроводной сети с учетом старения трубопроводов определены зоны наименьшего давления и научно обосновано решение замены индивидуальных емкостей для хранения запаса воды на муниципальные резервуары с использованием повысительных насосных станций. Проведено сравнение потребления электроэнергии сетевыми повысительными насосными станциями и индивидуальными насосами у потребителей в городе с населением более 2 млн человек, определены количество нерационально используемой электроэнергии и экономический эффект от внедрения предложенных рекомендаций.

Ключевые слова: система водоснабжения, гидравлический расчет, водопроводные сети, энергетическое эквивалентирование, зона низкого давления в сети, водонапорный бак.

Введение. Экономическое обоснование сравнения затрат между вариантами снабжения водой потребителей с индивидуальными емкостями или с муниципальными резервуарами для воды требует проведения оценки стоимости оборудования для конкретной сети водоснабжения.

Используя в качестве примера результаты гидравлического расчета сети водоснабжения района Тху Дык г. Хошимина, получаем, что в час максимального водопотребления в северо-восточном квартале наблюдается нехватка воды, подача воды в эту зону составляет qmax 145 л/с, при этом норма хозяйственно-питьевого водопотребления на 1 жителя в районе принята 250 л/сут (в соответствии с действующим нормативом TCXDVN 33:2006. Cấp nước — Mạng lưới đường ống và công trình. Tiêu chuẩn thiết kế).

Зона низкого давления в сети обусловлена тем, что с 6 до 22 часов напор воды составляет менее 10 м и не удовлетворяет потребностям жителей в подаче воды [9, 10].

© Щербаков В. И., Зубарева О. Н., Нгуен Х. К., 2018

39

Научный журнал строительства и архитектуры

В зоне низкого давления, выделенной на рис. 1, проживает 9072 семьи, в среднем — четыре человека в каждой семье. Следовательно, потребителями используется 9072 бака и столько же насосов для заполнения баков водой [15, 17, 18].

Рис. 1. Пьезокарта напоров в час максимального водопотребления [8]

На основании гидравлического расчета выбираем расположение повысительной насосной станции (ПНС), как показано на рис. 2, и устанавливаем датчик давления для частотнорегулируемого привода (ЧРП) в диктующей точке J-98, с напором в этой точке не менее 10 м. Давление на всасывающей трубе ПНС постоянно изменяется, а с 23 до 6 часов утра насосы ПНС отключаются, так как давление в диктующей точке более 10 м [3, 4, 7, 8].

Чтобы выбрать наиболее экономичное решение из имеющихся вариантов, рассмотрим стоимость жизненного цикла (СЖЦ) единицы используемого оборудования, т. е. сумму всех расходов на его приобретение, установку и техническое обслуживание.

По методике, разработанной Институтом гидравлики (Hydraulic Institute, USA) [14], стоимость жизненного цикла насосного оборудования вычисляется по формуле:

СЖЦ Сп См Сэ Спл Со Спр Сос Су ,

40