МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОТРАНСПОРТА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ НЕЗАИЛЕННЫМ ТРУБАМ
Существующие подходы к составлению практических методов расчета напорного гидротранспорта
Транспортирование по стальным горизонтальным трубам достаточно однородных по крупности грунтов является наиболее частым случаем в практике гидромеханизации земляных работ. Так, при строительстве гидроузлов на Волге и Днепре основные земляные сооружения намыты из однородных мелкозернистых грунтов крупностью 0,18—0,25 мм, коэффициент разнородности которых не превышает 3. Магистральные трубопроводы не имели значительной разности отметок начала и конца и могли рассматриваться как горизонтальные. На практике, безусловно, приходится транспортировать и иные грунты и по иначе расположенным трубопроводам, поскольку на объектах гидромеханизации встречаются наклонные и вертикальные трубопроводы.
В настоящее время существуют следующие практические методы расчета гидротранспорта:
1) основанные на использовании опытных данных по гидротранспорту, которые представлены в табличной форме, удобной для пользования при расчетах;
2) основанные на использовании опытных данных, по которым составлены расчетные номограммы, связывающие основные параметры гидротранспорта; номограммы удобны для быстрого расчета различных случаев гидравлического транспорта;
3) основанные на эмпирических формулах, полученных путем обобщения опытных данных при исследовании гидротранспорта;
4) основанные на различных теоретических и гипотетических предпосылках о закономерностях движения взвесенесущих жидкостей;
5) основанные на установлении связей между локальными и интегральными характеристиками взвесенесущего потокам
6) составленные в итоге решения некоторых критериальных уравнений, полученных из подобия и моделирования процессов гидротранспорта;
7) основанные на представлении потока гидросмеси как потока несущей среды (без взвеси), текущей в неподвижных наружных и подвижных внутренних границах, с которыми поток несущей среды динамически взаимодействует в относительном движении. Взвесенесу- щий поток представляется в виде движущейся жидкости, влекущей пространственную решетку из твердых частиц и пронизывающей ее в относительном движении.
Некоторые из существующих методов расчета гидротранспорта представляют собой комбинацию из указанных выше возможных подходов к решению этой проблемы.
Формирование методов расчета гидротранспорта
Методы расчета гидротранспорта, основанные на использовании опытных данных.
Самая ранняя форма записи — аналитическая зависимость между потерями напора при гидротранспорте и характеристиками гидросмеси — имеет следующий вид:
При транспортировании гидросмеси с содержанием твердой фракции Р процентов; hi потери напора для чистой воды; г потери напора при наличии твердой фракции в потоке, отнесенные к 1 %-ной консистенции гидросмеси и к 1000 м длины трубопровода.
Приведенная формула применима как к однородным, так и разнородным грунтам, но величина для различных грунтов будет разной.
Для расчета потерь напора по этому методу требуется большое количество экспериментальных данных для всех видов твердого материала и различных условий его транспортирования, поэтому этот метод мало пригоден для практического применения.
Характерным для формулы (256) является разделение потерь напора, обусловленных жидкими и твердыми компонентами гидросмеси. Эта формула явилась прототипом для многих последующих формул, имеющих общий вид (в написании для удельных потерь напора):
Формула (257) совпадает с обоснованной формулой (251), приведенной ранее.
К методу расчета гидротранспорта на основе использования опытных данных относится метод С. И. Горюнова К Для определения сопротивлений при движении гидросмесей по трубам С. И. Горюнов пользуется формулой
В этой формуле X разбивается на две части. Xw для чистой воды и Xs — для потока с твердыми частицами, т. е.
Значения Xw и Xs для различных грунтов, которые группируются по признаку идентичности кривых гранулометрического состава, приведены в таблице С. И. Горюнова.
Разделив правую и левую части выражения на длину L, получим .
Так как транспортируемые гидравлическим способом грунты имеют весьма разнородный состав, использование метода С. И. Горюнова становится затруднительным.
Метод расчета гидротранспорта по номограммам. При расчете по этому методу пользуются графиками опытных данных, которые методами экстраполяции и интерполяции перестраивают в виде расчетных номограмм, связывающих те же параметры гидротранспорта.
Этот метод может быть достоверным только при наличии большого числа опытных данных, охватывающих все возможные варианты гидротранспорта.
Метод расчета гидротранспорта по эмпирическим формулам. Изучению гидротранспорта посвящено большое число отечественных и зарубежных исследований.
Исследования проводились в основном на опытных лабораторных или производственных гидротранспортных установках с различными материалами, трубами всевозможных диаметров и шероховатостей. При исследованиях изменялись значения концентрации твердого компонента в жидком, скоростей и других параметров, характеризующих гидротранспорт.
Определяемыми величинами являлись потери напора по длине труб и критические скорости. Кроме того, фиксировалась степень заиления труб, отмечались режимы волнового движения транспортируемого материала и пр.
Ниже приведены только те импирические формулы, которые вошли в Инструкцию по гидравлическому расчету систем напорного гидротранспорта грунтов .
Методы расчета гидротранспорта, основанные на различных предпосылках теории, взвешенного переноса твердых частиц турбулентным потоком. В теоретических трудах рабочей гипотезой чаще всего являлась гипотеза о причинах взвешивания твердых частиц в водных потоках и гипотеза о работе, затрачиваемой на взвешивание. Сюда относится гипотеза Дюпюи, диффузионная и гравитационная теории взвешивания, а также ряд других схем взвешивания твердых частиц, на основе которых были предложены методы расчета гидротранспорта. К этой же категории работ относятся попытки решения дифференциальных уравнений, описывающих движение неоднородных сред. Составленные на основе фрагментов теории гидротранспорта расчетные фомулы содержат поправочные коэффициенты, которые могут быть определены только опытным путем, поэтому эти формулы относятся к категории эмпирических.
В то же время эти формулы отличаются от чисто эмпирических тем, что их структура, подсказанная теорией, может придать им более универсальный характер, а чисто эмпирические формулы следует применять только в области исследованных границ значений параметров гидротранспорта.
Методы расчета гидротранспорта, основанные на установлении связей между локальными и интегральными характеристиками потоков гидросмеси. К локальным характеристикам потоков гидросмесей относятся поля скоростей и консистенций, т. е. распределение местных скоростей и твердых частиц по живому сечению потока.
Эпюры распределения локальных скоростей по живому сечению потоков гидросмеси и чистой воды различны (при прочих одинаковых условиях), а следовательно, для сравниваемых потоков удельные потери энергии будут различными. Очевидно, потери энергии будут больше в том случае, когда скорости распределены в потоке гидросмеси неравномерно. Поток гидросмеси можно заменить некоторым динамически эквивалентным потоком чистой воды, т. е. потоком, имеющим те же удельные потери энергии, что и рассматриваемый поток гидросмеси. Поскольку для потока чистой воды определение потерь напора не представляет трудностей, то этот метод подбора динамического аналога потока гидросмеси позволит решить задачу об определении потерь напора при гидротранспорте различных материалов. Из совместного рассмотрения эпюр потоков гидросмеси и его гидродинамического аналога — чистой воды было найдено выражение для средней скорости потока — аналога, по которому, используя известную формулу гидравлики Дарси—Вейсбаха, можно рассчитывать гидравлические потери при движении различных гидросмесей в трубах:
Предложение рассматривать совместное движение жидкости (или газа) и твердых частиц как фильтрацию жидкости через подвижную решетку дискретно движущихся твердых частиц впервые было высказано проф. X. А. Рахматулиным. Развитие этого подхода к рассмотрению взвесенесущего потока и доведение задачи о движении гидропневмосмесей до расчетных формул дано проф. М. А. Дементьевым. В его работе развито представление о механизме взвешенного переноса твердых частиц несущей средой, причем взаимодействие частиц между собой выражено (до некоторой степени условно) в виде силы механического трения (первая составляющая трения), передаваемого от одного слоя к другому и воспринимаемого дном потока. Механическое трение обусловливает торможение всей массы взвеси в трубе, что в свою очередь вызывает «отставание» частиц от окружающей несущей их среды. Это отставание и создает картину фильтрации жидкости через подвижную «решетку» из твердых частиц. Взаимодействие частиц между собой является основным фактором, обусловливающим нахождение частиц во взвеси. Вышерасположенные частицы как бы «опираются» на нижележащие.
Второй составляющей трения в потоке неоднородной среды (гидросмеси) является жидкое трение. Полное напряжение силы трения выразится суммой
В результате рассмотрения существующих методов расчета гидротранспорта зернистых материалов (песчаных и гравелистых) по горизонтальным стальным трубам можно сделать вывод, что к настоящему времени наиболее разработан и оформлен метод расчета гидротранспорта по эмпирическим (или полу- эмпирическим) формулам, достоверность которых апробирована методом сопоставления со множеством наиболее достоверных опытных данных.
Эта работа в качестве «Технических условий по расчету напорного гидротранспорта грунтов» была выполнена на основе совместной гранулометрического состава грунта); б— характеристика относительной крупности твердых частиц (находят по табл. 14).
Коэффициент сопротивления по длине трубопровода (коэффициент Дарси) для новых стальных труб или стальных труб, ранее использованных для гидравлического транспорта, вычислять по формуле
Для старых корродированных труб, эксплуатировавшихся в водопроводных системах, следует пользоваться формулой
Дополнительные удельные потери Ai, обусловленные присутствием частиц песка или гравия в потоке воды, определять по формуле дополнительные удельные потери напора при критической скорости движения гидросмеси;
Величину ф, именуемую коэффициентом транспортабельности, находят как средневзвешенное значение по формуле
В Технических условиях предложен следующий порядок расчета.
Удельные потери напора на трение при движении гидросмеси определять по двучленной формуле (257).
Удельные потери напора на трение при движении чистой воды по трубам диаметром D со скоростью v определять по формуле
Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники (ВНИИГ) им. Б. Е. Веденеева; Московский инженерно-строительный институт (МИСИ) им. В. В. Куйбышева; Институт гидромеханики АН УССР; Всесоюзный научно-исследовательский институт нерудных (ВНИИНЕРУД); Всесоюзный трест гидромеханизации Министерства электротехники и электростанций СССР
Гидравлический транспорт ила Ламинарный режим
Наименьшие потери напора при гидротранспорте получаются при скоростях движения гидросмеси, близких к критической скорости. Если принять это условие, то диаметр трубопровода можно определить по формуле
Если округлить значение диаметра трубопровода до ближайшего стандартного меньшего, то скорость гидросмеси в трубопроводе будет несколько больше критической для данных условий гидротранспорта.
Для расчета гидротранспорта других (непесчаных) материалов, встречающихся на объектах гидромеханизации земляных работ, рекомендуются формулы, приведенные в табл. 15.