8.12. Влияние формы сечения трубопровода

НА КОЭФФИЦИЕНТЫ ДАРСИ

При вычислении значений числа Re для потоков в трубах некруглого сечения в качестве характерной линейной величины используется гидравлический радиус . Этот параметр не является полной характеристикой геометрии потока, ибо недостаточно характеризует форму живого сечения. В то же время форма сечения влияет на кинематическую структуру потока и тем самым оказывается существенной при расчете гидравлических сопротивлений.

В трубах с полигональными очертаниями касательные напряжения на стенке распределены неравномерно по периметру сечения: по мере приближения к углам труб уменьшаются значения интенсивности пульсаций скорости и касательного напряжения. В результате неравномерности распределения касательных напряжений более интенсивно проявляются вторичные течения в плоскости живого сечения. Происходит поперечная циркуляция (рис. 8.14), на поддержание которой затрачивается дополнительная энергия. При прочих равных условиях коэффициенты Дарси увеличиваются. По лабораторным данным в напорных трубах полигонального очертания коэффициенты могут увеличиваться на 15 % по сравнению со значениямидля круглых труб.

Рис.8.14

8.13. Влияние условий эксплуатации трубопровода на гидравлические сопротивления

Влияние вибрации трубопровода. При работе трубопровода в условиях вибрации значение уменьшается. Влияние вибрации на увеличение(до 20%) отмечается в области перехода от ламинарного к турбулентному движению. Увеличениев трубопроводах мелиоративных, строительных и других машин, работающих в условиях вибрации, должно учитываться при конструировании.

Влияние «обрастания» трубопроводов происходит в процессе эксплуатации в результате коррозии материалов труб, а также плотного слоя отложений. Состав этих отложений (инкрустации) может быть различным в зависимости от состава воды, транспортирующейся по трубам. «Обрастание» приводит к уменьшению площади живого сечения и увеличению размеров выступов шероховатости, образовавшихся на стенках трубы. Наблюдения показывают, что после нескольких лет эксплуатации уменьшение расхода воды вследствие этого может достигать 50 %.

Расчет увеличения высоты выступов шероховатости в зависимости от срока эксплуатации и состава воды можно выполнять по приближенной зависимости

,

где - высота выступов шероховатости в начале эксплуатации;то же черезлет;- коэффициент, характеризующий скорость увеличения высоты выступови изменяющийся от 0,025 до 3 мм/год в зависимости от степени минерализации воды.

Отметим, что для восстановления расчетной пропускной способности труб применяют специальные устройства механического или гидравлического действия для очистки внутренней поверхности труб.

8.14. Способы снижения гидравлических сопротивлений

1. Введение в жидкость малых добавок полимеров или поверхностно-активных веществ (ПАВ) при определенных условиях приводит к снижению гидравлических сопротивлений, т. е. к уменьшению коэффициента Дарси .

Приведем одну из гипотез, объясняющих этот эффект.

Молекулы применяемых полимеров или ПАВ представляют собой весьма длинные образования (длина некоторых из них может превышать их поперечный размер в 100 000 раз). При наличии добавок увеличивается толщина вязкого подслоя и промежуточной зоны между подслоем и турбулентным ядром, так как в реальных условиях переход от вязкого подслоя к турбулентному ядру происходит, конечно, не по одной линии, а в некотором слое, толщина которого, так же как и , невелика. По мере увеличения концентрации добавок толщина промежуточного слоя растет. Вблизи стенок очень длинные молекулярные образования (мицеллы) ориентируются преимущественно по направлению движения и образуют «гибкую» поверхность, которая может изменяться волнообразно. После прохождения через насос или местные сопротивления молекулярные образования у полимеров разрываются и в применяемых сейчас полимерных добавках практически не восстанавливаются. Эффект сниженияпри этом, естественно, сильно уменьшается. У поверхностно-активных веществ мицеллы восстанавливаются и эффект снижениядовольно стабилен по длине трубопровода.

Добавки влияют на градиент скорости вблизи стенок - он уменьшается. Вместе с тем поверхность, создающаяся из молекул добавок вблизи стенок трубы, способствует сильному (до 4-5 раз) уменьшению интенсивности пульсаций поперечной составляющей (), скорости, соответственно уменьшаются касательные напряжения, а значит, и.

Полимерные и другие добавки сейчас довольно широко применяются в трубопроводах промышленного водоснабжения, теплоснабжения, шахт, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Начинается применение добавок и в мелиоративных трубопроводах. Применение некоторых добавок способствует очистке воды, приводит к замедлению коррозии. Имеются сведения о положительных результатах применения полимерных добавок в экспериментальной медицине (добавки в кровеносные сосуды).

Концентрация растворов добавок изменяется от 0,001 до 1 %. Применение добавок позволяет до 60-80 % снизить коэффициент по сравнению св жидкости без добавок. Однако не всегда увеличение концентрации до максимально возможной дает максимальный эффект. В каждом из случаев имеется некоторое оптимальное значение концентрации добавок.

У жидкостей с добавками переход от ламинарного к турбулентному движению происходит при числах Рейнольдса гораздо больших (примерно в 10 раз), чем чистой жидкости.

Снижение при турбулентном движении начинается при достижении так называемого «порогового» числа(или «пороговой» средней скорости в данной трубе). С увеличением концентрации добавок числауменьшаются.

2. В гидравлически гладких трубопроводах как при ламинарном, так и при турбулентном движении с увеличением числа Re коэффициент уменьшается. При неизменныхиувеличение числаRe в капельной жидкости может быть достигнуто уменьшением кинематической вязкости подогревом жидкости или стенок трубы.

В воздухопроводах для уменьшения стенки надо охлаждать, так каквоздуха уменьшается с уменьшением температуры.

3. Установлено, что подвижность («податливость») границ потока при подобранных определенным образом условиях может повлиять на значения , уменьшая или увеличивая их. К таким условиям относятся случаи, когда стенки, ограничивающие поток, колеблются с необходимыми частотами и амплитудами.

Кроме того, наблюдается снижение в потоках с границами, колеблющимися в соответствии с характеристиками пульсаций, возникающих в жидкости. Экспериментально найдено, что амплитуда таких колебаний не должна превышать толщины вязкого подслоя. Лучшие результаты получались, когда амплитуды равнялись.

Подбор соответствующих (для снижения ) характеристик гибких (податливых) границ представляет интерес при проектировании мягких трубопроводов из капроновой ткани или из других аналогичных материалов.