ОБЩЕЕ СОПОСТАВЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ГИДРОСМЕСЕЙ И ЧИСТОЙ ВОДЫ ПО ТРУБАМ
Определение потерь напора при движении чистой воды по трубам в современной гидравлике является вопросом, вполне разрешенным до стадии практического применения. В современных гидравлических справочниках и пособиях имеются исчерпывающие указания, формулы, таблицы и графики по расчету различных случаев движения воды по напорным и безнапорным системам.
Методику определения потерь напора при движении гидросмесей целесообразно строить в зависимости и в сопоставлении с методом расчета движения однородной жидкости, что также вытекает из приведенной формулы (251). Следует сопоставлять кривые зависимости потерь напора от расхода (или скорости) при движении гидросмесей и воды в аналогичных условиях.
В связи с этим сложилась определенная методика опытного изучения гидротранспорта, в которую входят следующие общие приемы.
1. Перед изучением движения гидросмесей исследуемые трубы предварительно тарируют на чистой воде, т. е. по опытным данным строят график зависимости удельных потерь напора от расхода (или скорости) воды. В результате получается парабола 1 (рис. 113), удовлетворяющая известной в гидравлике формуле Дарси — Вейсбаха,
В этой формуле коэффициент % определяется значением шероховатости внутренней поверхности труб и при сравнительно небольших скоростях зависит также от числа Рейнольдса.
2. После проведения опытов по изучению движения гидросмесей по предварительно протарированным трубам их вновь тарируют, причем, поскольку твердая составляющая гидросмеси абразивно воздействует на внутреннюю поверхность труб, шероховатость уменьшается и соответственно уменьшается значение коэффициента Я, а вместе с ним — значение гидравлического уклона i (рис. 113, кривая 2).
3. Кривая зависимости потерь напора от расхода, построенная по данным, полученным при движении гидросмеси по тем же трубам, обычно имеет очертание и положение, аналогичное кривым 1 или 2, построенным для движения чистой воды, как указано (рис. 113, кривая 3).
У некоторых авторов кривые i=f(v) для чистой воды и гидросмеси располагались так, что кривая гидросмеси (при малой консистенции) пересекала полученную при первой тарировке кривую чистой воды (рис. 113, кривая 4).
Всеми исследователями замечено, что ни в одном случае гидротранспорта зернистых материалов кривые, аналогичные кривой 4, не пересекают кривые, аналогичные кривой если кривая 1 построена для гладких (шлифованных) труб или по данным, вычисленным по формуле (252) с коэффициентом X для гладких труб (например, по формулам Конакова, Альтшуля).
Необходимо отметить, что формулы Альтшуля и Конакова дают значения, вполне соответствующие опытным данным, полученным при движении чистой воды по трубам, находящимся длительное время (не менее 100 ч) в эксплуатации при гидротранспорте песчаного грунта.
Таким образом, при сравнении потерь напора при движении гидросмесей и чистой воды за эталон следует брать потери напора при движении воды в гладких трубах. При этом потери напора при движении гидросмеси никогда не окажутся меньше, чем при движении чистой воды, за исключением редких случаев транспортирования очень мелких частиц при малых насыщениях ими потока. Эти потери можно определить по выражению (251). Причем величина Ai в этом выражении будет всегда иметь один знак (положительный). Случаи движения торфомассы, сточных вод и пр., когда возможно положение кривой i=f(v) для смеси ниже, чем для воды, здесь не рассматриваются.
Чтобы объяснить взаимное расположение кривых 3 и 1 (или 2), исследуем структуру взвесенесущего потока.
При режимах, близких к критическим (точка А), транспортируемый материал наиболее неравномерно распределен по сечению потока: большая часть твердых частиц перемещается вблизи дна. По мере увеличения скорости движения гидросмеси от значения пкр до vB кривая 3 приближается к кривой i~f(v) для чистой воды. Режимы движения, соответствующие участку кривой АБ, характерны тем, что твердые частицы все более интенсивно вовлекаются в перемешивание. В тот момент, когда при достаточно высокой средней скорости возникающие в потоке вихри вовлекают во вращение все фракции транспортируемого материала, распределение твердых частиц по сечению потока можно считать равномерным; ламинизирующее действие твердых частиц распространится на все слои потока, что и обусловливает наибольшее приближение кривой 3 к кривой 1 (или 2).
При дальнейшем увеличении скорости (ветвь Б В) поток можно рассматривать однородным, а следовательно, потери напора, выраженные в м вод. ст., можно определять по обычной формуле гидравлики
Таким образом, наибольшее затруднение в определении гидравлических сопротивлений при гидротранспорте представляет область режимов, соответствующих участку АБ кривой 3.
Дополнительные потери Ai, обусловленные наличием твердых частиц в потоке, по величине зависят от концентрации этих частиц в потоке 5, диаметра трубы D, средней скорости потока v и крупности твердых частиц d или гидравлической крупности W.
Поскольку характер процесса взвешивания гравитационный, необходимо учитывать гравитационную постоянную
Уравнение (255) к явному виду может быть приведено чисто эмпирическим путем или с использованием постулатов теории размерности (в частности П-теоремы).