Д.т.н.   Касымбеков Ж.К., инженер Ботантаева Б.

Казахский национальный технический университет,Казгипроводхоз

          Исследование условии образования скоплений воздуха

         на изгибе напорного водовода в вертикальной плоскости

 

Условие образования скоплений воздуха на изгибе в вертикальной плоскости напорного водовода рассматрывалось на специально построенном стенде (рис.1)  при различном угле наклона (0 до 30°)подводящей трубы.

 При опытах давление принудительной подачи воздуха от компрессора изменялось от 0,05 до 1,4 МПа, а содержание воздуха - от 2 до 20%.Визуальное наблюдение за параметрами движения водовоздушной смеси и образования воздушных скоплений по длине исследуемого участка трубопровода осуществлялось с помощью смонтированных датчиков «вода – воздух», а потери напора замерялись водовоздушными дифференциальными манометрами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Стенд для изучения условии образования скоплений воздуха

           на изгибе водоводов

 

В ходе проведения опытов  установлено,что во всех исследуемых изгибах струя воды под скоплением воздуха, независимо от давления в трубопроводе, представляла собой свободно стекающий поток. Измерение глубины и размеров воздушного скопления, проведенное с помощью  датчиков «вода – воздух», показало, что на переломе устанавливается глубина в пределах   hn≈0,6...  0,7D.

Оказалось, что процентное содержание воздуха впрямую не влияет на форму и глубину воздушного скопления,а  влияет на время образования и на положение начала гидравлического прыжка, который передвигается вниз от изгиба трубопровода по отводящей ветви, в зависимости от скорости протекания водовоздушной смеси. Увеличение процентного содержания воздуха к такому моменту, когда оторвавшиеся пузырьки воздуха уносятся из трубопровода, а поступающий с водой воздух вновь создает критический объем скопления.

Потери давления при движении нерастворенного воздуха и воды на нисходящем участке впрямую зависит от профиля трассы.Скопление воздуха начинается у самой верхней точки перегиба трубопровода и затем увеличивается в размерах по длине до прорыва через концевое сечение. После прорыва воздуха в трубопроводе происходит раздельное движение воды и воздуха, причём воздух двигается гораздо медленнее воды.

Потери давления,при этом, можно определить по формуле:

 

Pr=γж(Z1-Z2),                                                            (1)

 

где γж-объемный вес воды;

Z1 и Z2-геодезические отметки начала и конца нисходящего участка трубопровода.

      Из данной формулы следует, что воздух на нисходящем участке напорного трубопровода создает зону постоянного давления и не оказывает заметного действия на характер движения воды под слоем воздуха. Полученные опытные зависимости можно описывать в следующих безразмерных соотношениях:

F2=;                         (2)

 

где F2 - число Фруда; Vr - скорость движения воздуха; d - диаметр трубопровода; P - давление в начальном сечении трубопровода; γж - объемный вес водовоздушной смеси; ΔZ - разность геодезических отметок трубопровода;       P - безразмерного давления; l - длина трубопровода; Vвыт - объём трубопровода; безразмерный объём; Vтр - полный объём трубопровода; V - безразмерный объём; Sh - число Струхаля; T - период образования воздушного скопления.

Опыты показали,что при Fz<0,5 воздух, вводимый в нижний конец трубопровода поднимается в виде отдельных воздушных скоплений и имеет место небольшое колебание давлений P = P + 1. А при дальнейшем увеличении Fz возникает колебание давления, интенсивность которого растет пропорционально Fz до определенного момента в зависимости от K.

   Колебание  давления в трубопроводе происходит следующим образом: вода, увлекаемая воздушным скоплением, доходит до верхней точки трубопровода и затем стекает вниз по нисходящему участку (при Fz-const) запирая поперечное сечения трубы и образуя следующее воздушное скопление. При этом ,давление возрастает до Pmax, а в начальном сечении составляет Pmin и наблюдается волновое движение водовоздушной смеси с определенным периодом. При дальнейшем увеличении Fz амплитуда колебаний давления уменьшается. Это объясняется тем, что вода в трубопроводе с увеличением Fz вытягивается в длину, вследствие роста касательных сил на поверхности раздела фаз. С уменьшением параметра к зоне интенсивного колебания давленияе уменьшается и имеет место устойчивая волнистая поверхность раздела фаз при любом Fz.

В процессе исследований по уклону нисходящего участка трубы методом индикации были определены:

- виды движения водовоздушной смеси в наклонном трубопроводе;

- средние скорости движения воды, при которых нерастворенный воздух в виде различного размера воздушных включений удаляется из трубопровода текущей водой.

Проведено 4 серий опытов при углах наклона нисходящей части водовода к горизонту, a, равных 1°, 5°, 10°, 15°, 20° 25°и 30° при постоянном поступлении воздуха и средних скоростях движения воды Vср=0,53 м/с, 1,06 м/с, 1,59 м/с. Рабочее давление в трубе Р составляло 0,2 МПа - 1,4 МПа. Объемное расходное воздухосодержание qв изменялось в диапазоне от 2% до 20% к расходу воды.

Тарировка тензодатчиков внутритрубного давления была проведена на специальном стенде (рисунок 2), после чего они установливались на испытуемый трубопровод основного лабораторного стенда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Стенд для тарировки тензодатчиков давления.

 

Индикация воздушных скоплений позволила установить следующее. Воздух, попадающий в нисходящую ветвь установки, в зависимости от параметров потока (расход, давление) и водовода (уклон) задерживается в ней, образуя воздушные скопления длиной от 0,25 до 2 м и более. Конечную возможную длину установить не удалось, т.к. нередко воздушные скопления выходили за пределы экспериментального участка. При наличии воздушных скоплений наблюдается раздельное течение: вода движется в нижней части сечения трубы, а воздух скапливается в верхней части этого сечения трубы. Нижняя линия, ограничивающая скопление, заканчивается гидравлическим прыжком. Вихревое течение в гидравлическом прыжке способствует захвату воздуха из скопления и транспортированию его дальше по трубе.

При небольшом угле наклона рабочей трубы (a=1°) и при воздухосодержании потока до 10%, независимо от давления, при скорости транспортирования воды, равной 1 м/с – движение в верхнем сечении трубы переходит на мелкопузырьковое. Образующиеся воздушные скопления небольшого размера (до 25 мм в сечении) уносятся водой полностью.

Когда производится увеличение вводимого воздуха (воздухосодержания) на  более 10% начинается процесс образования воздушных скоплений. Этот процесс продолжается до воздухосодержания 15% от расхода воды. Образующиеся воздушные скопления, увеличиваясь в размерах, транспортируются и уносятся потоком воды. При повышении  воздухосодержания в потоке воды до 20% ,воздушное скопление занимает всю верхнюю часть визуального участка, по высоте сечения достигая размеров до 0,4d трубы. По всей длине визуального участка течение-раздельное (расслоенное).

Увеличение угла наклона рабочей трубы от 5° до 15° приводит образованию в рабочей трубе  устойчивых воздушных скоплении значительной длины, которые иногда превосходят длину визуального участка. Следует отметить, что длина этих скоплений не остается постоянной, а уменьшается или увеличивается в зависимости от транспортирующей способности гидравлического прыжка, на 5…15 см, а иногда до 60 см. При увеличении воздухосодержания до 3% наблюдается вынос второго скопления. Но, при достижении 4% воздухосодержания, второе скопление поднимается и сливается с первым и вновь начинается процесс увеличения скопления до критической величины, после достижения которой происходит воздухоотделение гидравлическим прыжком. При больших уклонах трубы (a=20°, 25°) скопления выносятся за пределы нисходящей части водовода сразу же по прекращению подачи воздуха.

При уменьшении давления в водоводе и постоянном расходе весь процесс образования воздушных скоплений начинается раньше, как бы сдвигается «вверх» по отношению к содержанию воздуха. Объединение мелких пузырьков в воздушные скопления начинается уже при 4% содержании воздуха (при наклоне 1°- 3°). При увеличении угла наклона трубы до 5° процесс образования воздушных скоплений начинается при воздухосодержании 2%. Критический угол, при котором происходит отделение воздуха из воздушных скоплений гидравлическим прытком и полный вынос их при прекращении подачи воздуха равен 25°.

В опытах с последующим уменьшением давления до 0,05 МПа и расхода воды до 1 л/с и при угле наклона a=1° к горизонту, движение потока в трубе раздельное, независимо от воздухосодержания. При увеличении наклона трубы к горизонту при постоянно поддерживаемом воздухосодержании (от 2% до 5% от расхода воды) наблюдается уменьшение длины воздушного скопления и границы его видны в пределах визуального участка. Воздушное скопление заканчивается гидравлическим прыжком.

Дальнейшее увеличение угла наклона трубы до 10°, при воздухосодержании 2%, наблюдается отделение пузырьков из скопления после гидравлического прыжка и образование второго скопления, которое, при увеличении воздухосодержания до 3% поднимается и сливается с первым. При последующем поступлении воздуха до 5% и более, до 20% движение потока в пределах визуального участка - расслоенное. Очевидно, длина воздушного скопления выходит за пределы визуального участка трубы, и установить его границы не представлялось возможным.

Литература

1.Вагапов Р.И.,Ни Н.П.,Ботантаева Б., Рыбинцев Ю.П. Исследование гидравлических параметров водовоздушного потока в напорном водоводе с использованием усовершенствованных способов их измерения // Сборник докладов Международной конференции по водоснабжению,19-21 сентября 2007г.  –Алматы,2007.