Обработка результатов гидравлических экспериментов на напорных трубопроводах из новых материалов

12 мая 2016 г.

В условиях современного развития индустрии полимерных и композиционных материалов, поступающих в больших количествах на строительные рынки, не исключается возможность использования их в качестве исходного продукта для создания новых труб или защитных покрытий старых трубопроводов, восстанавливаемых различными бестраншейными методами. Данные материалы относятся к категории новых и, как правило, имеют необходимый спектр прочностных и термических характеристик при полном отсутствии таких важных для проектировщика показателей, как гидравлические характеристики. В связи с этим задача исследователя сводится к проведению экспериментов и предоставлению проектировщику исчерпывающей информации по гидравлическим показателям новых материалов.

Гидравлические стенды для исследования напорных труб могут представлять собой опытные участки трубопровода определенной длины (не менее 10 м), в начале и конце которых установлены пьезометры для определения перепада давлений при течении потока жидкости в широких диапазонах расходов (скоростей) с последующим расчетом значений коэффициента гидравлического трения X удельного сопротивления А, коэффициента эквивалентной шероховатости kэ и других гидравлических характеристик.

Использование для обработки результатов экспериментов автоматизированных программ является весомым подспорьем для оперативности решения и анализа задач проектирования трубопроводов из новых материалов.

На кафедре водоснабжения МГСУ разработано и используется несколько модификаций автоматизированных программ расчета гидравлических показателей и построения математических зависимостей. Программы предназначены для получения полной информации по гидравлическим параметрам для соответствующего трубопровода (защитного покрытия) по материалам стендовых экспериментальных исследований. Также в задачи автоматизированной программы входит построение в автоматизированном режиме графиков (кривых), описывающих определенные зависимости (линейную, степенную» логарифмическую и экспоненциальную), в частности, потерь напора Н от расхода q, т. е. Н = f(q), а также удельных гидравлических сопротивлений А от диаметра трубопровода d, т. е. А = f(d) и др.

В качестве алгоритма гидравлического расчета в программы заложен ряд операций, сущность которых сводится к выполнению трех базовых этапов.

1  этап

Ввод и обработка данных, полученных с пьезометров, установленных в начале и конце экспериментального участка трубопровода; результатом этапа является определение и построение зависимости единичных потерь напора Н (м/м) от расхода q (м3/с), Н = f (q) и получение массива величин коэффициента гидравлического трения λm во всем диапазоне значений количества измерений (m).

2  этап

а)    подсчет элементов массива базовой величины удельного сопротивления Абаз (с26) во всем диапазоне значений количества измерений (m) для исследуемого диаметра d (м) по известной формуле ниже:

Абаз=0,0827·λ/ d5

б) подсчет элементов массива опытной величины удельного сопротивления Аопыт (с26) во всем диапазоне значений количества измерений (m) при расходе q (м3/с) и единичном напоре H (м/м) по формуле ниже:

Аопыт.m= H/ qm2

в) математическое моделирование, т. е. определение условия равенства элементов массива А6аз.m путем корректировки степени при диаметре в формуле выше в диапазоне всех (m) по формуле ниже:

Xm = (ln(0,0827λm)/Hm / qm2) / ln d

где Хm — уточненный показатель степени при диаметре d.

3  этап

а) гидромеханическое моделирование по методике А. Д. Альтпгуля на базе формулы Прадтля (для определения коэффициента гидравлического трения через коэффициент шероховатости), которое выражается в подсчете элементов массива коэффициента эквивалентной шероховатости Кэр.m (мкм) в диапазоне всех (m) по формуле ниже:

Кэр.m=106·d / (100,5/λm(0,5-0,5))   

б) подсчет величины реальной погрешности в расчетных Кэр.m и измеренных профилометром Кэ.m величинах коэффициентов эквивалентной шероховатости ΔКm (%) по формуле ниже:

ΔКm=100 ·[(Кэр.mэ.m)/kэр.m]

в) выбор элемента массива с минимальной погрешностью ΔКm (меньше допустимой ΔР, %) и присвоение всем элементам m-строки (в том числе, расчетной эквивалентной шероховатости ΔКи степени X при диаметре d) статуса оптимальных значений. Пересчет величин коэффициентов гидравлического трения и удельного сопротивления для всего диапазона возможных диаметров Dn трубопровода с построением соответствующих таблиц и графиков функции A= / f(Dn), где прослеживается трансформация гидравлических показателей при переходе от одного диаметра к другому.

Ниже представлена одна из последних версий автоматизированной программы обработки результатов гидравлических экспериментов на напорных трубопроводах с численным примером, где в качестве исследуемого материала защитного покрытия трубопровода используется полимерное набрызгиваемое покрытие.

При выводе на дисплей автоматизированная программа показывает в качестве базовой информации пять вкладок (с кнопками), соответствующих диалоговым окнам ниже, и строки управления распечаткой выходной формы и графического материала, находящиеся в нижней части диалоговых окон.

В левой части экрана, рисунка ниже, вводится информация по исходным данным, а в правой расположены кнопки управления процессом. Нижняя часть экрана отведена под сводные исходные данные (в виде таблицы). Типовой образец выходной информации представлен в таблице ниже.

Вкладка Условия эксперимента

3.16

Вкладка Опытные данные

3.17

Вкладка 1 ЭТАП расчета

3.18

Вкладка 2 ЭТАП расчета

3.19

Вкладка 3 ЭТАП расчета

3.20

Типовая распечатка выходной формы со значениями коэффициента гидравлического трения λ и удельного сопротивления А трубопроводов для гаммы стандартных диаметров Dn

№ п/п

Внутренний диаметр трубопровода Dn, м

λ

Ап, с26 (при величине расхода в м3/с)

1

0,1

0,04976

416,951827

2

0,15

0,04277

47,085235

3

0,2

0,03867

10,085881

4

0,3

0,03383

1,159262

5

0,4

0,03092

0,251023

6

0,5

0,02891

0,076810

7

0,6

0,02742

0,029247

8

0,7

0,02624

0,012938

9

0,8

0,02528

0,006388

10

0,9

0,02448

0,003431

11

1,0

0,02379

0,001967

12

1,2

0,02267

0,000753

13

1,4

0,02178

0,000334

14

1,6

0,02106

0,000166

Вкладки в окне Расчет гидравлических параметров программы расположены в определенной последовательности (слева направо).

Последовательность работы с программой (руководство пользователя) включает следующие операции.

1. Запуск программы. Осуществляется с открытия первой вкладки Условия эксперимента, рисунок выше. Здесь высвечивается каталог с уже имеющими исходными данными, полученными в результате внесения предшествующей информации, закодированной соответствующим номером (1, 2, 3 и т. д.) для соответствующего трубопровода (защитного покрытия).

Если объект (труба или покрытие) новый (т. е. не исследован на стенде), то для фиксации объекта в качестве исследовательского после нажатия кнопки Добавить ему автоматически присваивается следующий свободный номер, являющийся персональным кодовым для данной трубы (покрытия), и в ручном режиме вносится информация по названию трубы (покрытия). Дальнейшая работа ведется под присвоенным кодовым персональным номером. Здесь же пользователем вносятся сведения по внутреннему диаметру трубы (покрытия), длине экспериментального участка, величине эквивалентной шероховатости по про- филометру, допустимой погрешности по шероховатости (т. е. по профилометру и по данным гидравлических экспериментов).

2. После нажатия кнопки второй вкладки Опытные данные (рисунок выше) последовательно вносится информация по расходу, величина которого вводится посредством нажатия кнопки Добавить в левой части диалогового окна; для фиксации расхода и подтверждения вносимой информации нажимается кнопка Внести.

В целях проверки массива величин расходов, ранее введенных в программу, нажимается метка «стрелка»; если какой-либо расход должен быть исключен из списка рассматриваемых, он вызывается через метку « стрелка» и удаляется кнопкой Отмена. После фиксации очередной величины расхода вносится информация по показаниям пьезометров (таблица справа), которая предварительно автоматически обнуляется перед каждым новым значением расхода; для удаления табличных данных по показаниям пьезометров используется кнопка Удалить.

3. После нажатия на кнопку третьей вкладки 1 ЭТАП расчета (рисунок выше) появляется таблица, где представлена исходная (по расходам) и расчетная информация по скоростям, единичным потерям напора, коэффициентам гидравлического трения λ в пределах проведенных экспериментов с персональным кодовым номером.

Под таблицей расположена строка с кнопками Построить Н-Q графики в MS Excel, Распечатать выходную форму и среднее значение коэффициента гидравлического трения λ.

4. При нажатии на кнопку четвертой вкладки 2 ЭТАП расчета (рисунок выше) на экране появляется сводная таблица, где представлены исходная и расчетная информация по всем задействованным в алгоритме расчета параметрам.

Под таблицей расположена строка Установите курсор в строку с оптимальным решением, под которым понимаются расчетные данные строки, где погрешность по шероховатости не превышает установленных пользователем величин. Здесь же при необходимости по команде Распечатать выходную форму можно вывести на принтер всю выходную информацию по первому этапу расчета.

Если возникает необходимость коренного изменения входной информации по всем или некоторым материалам труб (защитных покрытий), то выбираются соответствующие персональные коды, соответствующие материалу трубопровода (защитного покрытия) и нажимается кнопка Править в первой вкладке Условия эксперимента, а затем кнопка Сохранить или Отменить.

При нажатии на кнопку Удалить исчезает вся информация по соответствующему кодовому номеру трубы (защитного покрытия).

5. После отметки курсором «оптимальной строки» в сводной таблице по результатам второго этапа расчета нажимается кнопка пятой вставки 3 ЭТАП расчета (рисунок выше). На дисплее появляется необходимая проектировщику таблица с расчетными значениями коэффициента гидравлического трения λ удельного сопротивления А трубопроводов для гаммы стандартных диаметров Dn по итогам гидромеханического моделирования и математических расчетов (таблица выше).

Обладая информацией, представленной в таблице выше, проектировщик может провести гидравлический расчет трубопровода любого диаметра в рамках представленных, используя значения коэффициента гидравлического трения λ или удельного сопротивления А для соответствующего диаметра трубопроводной сети из определенного материала.