Сравнение методов расчета гидравлических характеристик потока в безнапорных трубопроводах

Введение. Рассмотрены три метода расчета гидравлических характеристик потока в безнапорных трубопроводах: экспериментальный, традиционный и с использованием программного обеспечения SewerCAD. Сегодня возможно дальнейшее развитие гидравлических методов расчета турбулентных течений в безнапорных трубопроводах благодаря новым способам измерения и эффективным программным продуктам. Для повышения точности гидравлических расчетов (ГР) необходимо проведение экспериментальных исследований. Цель исследования — определить гидравлические характеристики потока в безнапорных трубопроводах тремя методами и найти взаимосвязь между ними. В ходе выполнения ГР трубопроводов, обеспечивающих подачу воды на большие расстояния, следует предъявлять повышенные требования к точности конечных результатов, так как это связано с мониторингом аварийных ситуаций. При безнапорном движении жидкости движущей силой, определяющей скорость потока, является составляющая силы тяжести, направленная вдоль потока. До настоящего времени широко применяется формула, устанавливающая среднюю скорость равномерного течения в безнапорном трубопроводе, предложенная А. Шези. Определены зависимости наполнения трубы от средней скорости потока при различных уклонах. Проведено сравнение средних скоростей, полученных в результате экспериментальных исследований и расчетным путем с помощью программы SewerCAD. Правомерность практического использования предложенной методики подтверждается результатами обработки экспериментальных данных как авторами, так и другими исследователями.

Материалы и методы. Применены методы расчета турбулентных течений в безнапорных трубопроводах с помощью экспериментальных данных, традиционных методов и компьютерных технологий, что повышает точность расчетных параметров потока, надежность работы трубопроводной системы.

Результаты. Представлены результаты эксперимента, программы SewerCAD и традиционного метода расчета скорости при различных расходах для безнапорных труб из полиэтилена диаметром 100 мм при наполнении трубопровода от 0,1 до 0,8.

Выводы. Проведены лабораторные исследования по определению гидравлических характеристик потока полиэтиленового трубопровода диаметром 100 мм. Получены соответствующие зависимости для средней скорости между результатами эксперимента и программой SeweCAD для безнапорной системы.

1. Olgarenko G., Olgarenko V., Olgarenko I., Olgarenko V.I. Justification of methodological approaches to standardisation of irrigation as an element of resource saving and minimization of the anthropogenic load on agrobiocenosis // IOP Conference Series: Earth and Envi-ronmental Science. 2019. Vol. 337. Issue 1. P. 012027. DOI: 10.1088/1755-1315/337/1/012027

2. Olgarenko V.I., Olgarenko I.V., Olgarenko V.I. Technical condition diagnostics of the water supply facilities in the irrigation systems // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. Issue 3. P. 022060. DOI: 10.1088/1757-899X/698/2/022060

3. Ткачев А.А., Ольгаренко И.В. Современные проблемы в управлении водораспределением в магистральных каналах оросительных систем // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2021. Т. 11. № 2. С. 1–23. DOI: 10.31774/2222-1816-2021-11-2-1-23. EDN NTRFMJ.

4. Tas E., Ağıralioğlu N. Comparison of friction losses in long polyethylene pipe systems using different formulas // International Symposium on Urban Water and Wastewater Management. 2018. Pp. 602–609.

5. Abduro S., Sreenivasu G. Assessments of urban water supply situation of Adama Town, Ethiopia // Journal of Civil Engineering Research. 2020. Vol. 10. Issue 1. Pp. 20–28. DOI: 10.5923/j.jce.20201001.03

6. Rezagama A., Handayani D.S., Zaman B., Putra R.R.S. Design optimization of water distribution suburban area in Mranggen, Semarang, Indonesia // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 448. Issue 1. P. 012066. DOI: 10.1088/1755-1315/448/1/012066

7. Terlumuna U.J., Ekwule O.R. Evaluation of municipal water distribution network using watercard and watergems // Journal of Engineering and Sciences. 2019. Vol. 5. Issue 2. Pp. 147–156.

8. Bhaskar S.P., Rout A.K., Rajendra G.M. Feasibility analysis of water distribution system for Yavatmal City using WaterGems Software // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2017. Vol. 6. Issue 7. DOI: 10.15680/IJIRSET.2017.0607132

9. Arunjyoti S., Senapati S., Sirisha A. A mathematical model for the selection of an economical pipe size in pressurized irrigation systems // African Journal of Agricultural Research. 2016. Vol. 11. Issue 8. Pp. 683–692. DOI: 10.5897/AJAR2015.10648

10. Штепа Б.Г. Технико-экономические проблемы применения полимерных трубопроводов в мелиорации и в водном хозяйстве // Полимерные трубы. 2011. Т. 34. № 4. С. 35–37.

11. Митрахович А.И., Макоед В.М., Сергееня А.П., Лавушев С.М. Из опыта применения на осушительных системах коллекторов из труб большого диаметра // Мелиорация. 2019. № 2 (88). С. 13–17. EDN CCYDWN.

12. Митрахович А.И., Макоед В.М., Лавушев С.М., Сергееня А.П. Условия применения двухслойных гофрированных полиэтиленовых труб «корсис» на мелиоративных объектах // Мелиорация. 2020. № 1 (91). С. 15–23. EDN FYKDWT.

13. Rubeiz C. Case studies on the use of HDPE pipe for municipal and industrial projects in North America // Pipeline Division Specialty Congress. 2004. DOI: 10.1061/40745(146)22

14. Hajibabaei M., Nazif S., Sereshgi F.T. Life cycle assessment of pipes and piping process in drinking water distribution networks to reduce environmental impact // Sustainable Cities and Society. 2018. Vol. 43. Pp. 538–549. DOI: 10.1016/j.scs.2018.09.014

15. Diogoa A.F., Vilelaa F.A. Head losses and friction factors of steady turbulent flows in plastic pipes // Urban Water Journal. 2014. Vol. 11. Issue 5. Pp. 414–425. DOI: 10.1080/1573062X.2013.768682

16. Боровков В.С., Байков В.Н., Писарев Д.В., Волынов М.А. Локальное подобие течения и распределение скоростей в турбулентных потоках // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 6 (32). С. 12–19. DOI: 10.5862/MCE.32.2. EDN PDZKDX.

17. Heller V. Scale effects in physical hydraulic engineering models // Journal of Hydraulic Research. 2011. Vol. 49. Issue 3. Pp. 293–306. DOI: 10.1080/00221686.2011.578914

18. Kim J.H., Kwon S.H., Yoon K.S., Lee D.H., Chung G. Hydraulic experiment for friction loss coefficient in non-circular pipe // Procedia Engineering. 2016. Vol. 154. Pp. 773–778. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.582

19. Leopardi M. On roughness similarity of hydraulic models // Journal of Hydraulic Research. 2004. Vol. 42. Issue 3. Pp. 239–245. DOI: 10.1080/00221686.2004.9728389

20. Ивановский Ю.К., Моргунов К.П., Рябов Г.Г. Лабораторные исследования автодорожного водопропускного сооружения // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2018. Т. 10. № 2. С. 318–330. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-2-318-330. EDN UPZIVA.

21. Моргунов К.П., Ивановский Ю.К., Баранов А.Ю. Экспериментальное определение коэффициента шероховатости металлических спиральновитых гофрированных труб // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2020. Т. 12. № 2. С. 323–335. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-2-323-335. EDN VRMTTG.

22. Yu X.G., Choi K.Y. Systematic and exact sca-ling analysis of the single-phase natural circulation flow: The hydraulic similarity // Progress in Nuclear Energy. 2016. Vol. 89. Pp. 78–87. DOI: 10.1016/j.pnucene.2016.02.001

23. Аношкин Ю.И., Добров А.А., Легчанов М.А., Субарев М.А., Хробостов А.Е. Экспериментальные исследования гидравлического сопротивления вставок из упруго-пористого проволочного материала в канале круглого сечения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 1 (124). С. 92–99. DOI: 10.46960/1816-210X_2019_1_92. EDN ZANGJF.

24. Алтунин В.И., Черных О.Н. О гидравлическом расчете дорожных водопропускных труб из гофрированного металла // Дороги и мосты. 2015. Т. 1 (33). С. 234–247. EDN UYBLMB.

25. Алтунин В.И., Черных О.Н., Федотов М.В. Водопропускные трубы в транспортном строительстве. Гидравлическая работа труб из металлических гофрированных структур : монография. М. : МАДИ, 2012. 240 с. EDN RFEAET.

26. Черных О.Н., Алтунин В.И., Бурлаченко А.В. Повышение эффективности гидравлической работы дорожных водопропускных труб // Природообустройство. 2016. № 2. С. 42-47. EDN WAAEWB.

27. Ханов Н.В., Бурлаченко А.В. Гидравлические аспекты обеспечения надежной и безопасной работы трубчатых водопропускных сооружений из гофрированного металла // Природообустройство. 2016. № 5. С. 32–39. EDN XHZZPJ.

28. Боровков В.С., Брянская Ю.В., Байков В.Н. Уточнение условий подобия равномерных широких открытых потоков при гидравлическом моделировании недеформируемых каналов // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2009. Т. 253. С. 22–27. EDN KYQUIL.

29. Воронов Ю., Пугачев Е., Перевозникова Е. Гидравлические основы расчета водоотводящих самотечных трубопроводов из пластмассовых труб // Полимерные трубы. 2006. № 3 (12). С. 38–41. EDN ZVHTMF.