Лысенко В.С., к. т. н.

Казахский Национальный Педагогический

университет им. Абая, г. Алматы, Республика Казахстан

ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ВОДОВОДОВ

В ПРЕДГОРНЫХ РАЙОНАХ

Проблема рационального и экологически чистого использования воды горных рек и водосбросов в настоящее время приобретает все более острый характер. Это связано в первую очередь с тем, что горная вода по своим структурным свойствам является ценнейшим природным даром. Перестроечный период привел к значительному износу водоводов в предгорных районах Заилийского и Жетысуйского Алатау и в перспективе потребуются значительных капиталовложений для их модернизации. Решение этой проблемы имеет большое значение для обеспечения здоровья населения, которое главным образом определяется качеством питьевой воды.

В связи с этим технические разработки инженерных систем водоснабжения в предгорных районах должен базироваться на комплексных научных исследованиях влияния всех факторов воздействия инженерных систем на структуру воды. Важнейшими факторами воздействия на структуру воды является геометрия и материалы водоводов.

Традиционные технологические приемы, технические средства и основы расчета водопотребления, добычи, очистки, хранения и распределения поверхностных и подземных вод в сельских населенных пунктах, на фермах, пастбищах и оросительных системах и современные проблемы улучшения водно-экологической обстановки достаточно подробно освещены в работе [1]. Однако исследований влияния конструктивных параметров водоводов на структуру воды практически нет.

Не традиционный подход к проблеме транспортировки воды, основанный на использовании естественного течения воды, минимально влияющего на природную структуру воды, предложил еще в середине прошлого века австрийский исследователь Виктор Шаубергер, который разработал и запатентовал спиральную трубу для жидких и газообразных субстанций [2]. В соответствии с формулой изобретения в этой трубе предотвращается образование осадка и сохраняется скорость течения благодаря тому, что форма сечения трубы состоит из нескольких полукругов и сама труба закручена в спиральную конфигурацию. Сечение трубы яйцевидное, с изгибом у более узкого конца яйца. Тестирование этих труб в Институте Гигиены при Штутгартском Технологическом университете (Германия) от 1952 года показало, что при водовыпуске, равном 310 см³/сек, всасывающая способность спиральной трубы из меди в 4 раза больше, чем у прямой стеклянной трубы, и в 1,85 раза больше, чем у прямой медной [3, c. 310]. Это связано с увеличением скорости течения воды в спиральной трубе, что обусловлено снижением гидравлических потерь.

В чем же причина снижения гидравлических потерь в спиральной трубе? Шаубергер разработал конструкцию этих труб в результате многолетних наблюдений за динамикой естественного течения воды. Действительно, если внимательно посмотреть на конфигурацию струи свободно истекающей воды, то становится понятным источник вдохновения Шаубергера. К тому же, как известно, любое тело или вещество, будучи предоставлено само себе, стремится принять наиболее энергетически выгодное состояние, и перемещается по наиболее выгодной траектории, обеспечивающей минимальные потери. Это значит, что естественное композиционно закрученное течение жидкости энергетически более выгодно. На первый взгляд это противоречит традиционной гидродинамики, да и реальная техническая практика подтверждает, что потери при ламинарном движении существенно меньше, чем при турбулентном режиме, и потому инженеры стараются предотвратить или хотя бы сократить образование турбулентностей.

На самом же деле никаких противоречий здесь нет. Турбулентное движение обусловлено беспорядочно зарождающимися и исчезающими микро вихрями жидкости, которые хаотично сталкиваются друг с другом, а также с ограничивающими поток стенками и тем самым бесполезно растрачивают кинетическую энергию. Естественное природное течение жидкости представляет собой композитное и согласованное в соответствии с окружающей среде вихревое ламинарное движение. При свободном течении (падании) жидкости в воздухе, который является менее плотным, она движется по естественной наиболее энергетически выгодной траектории, а именно в виде закрученной спирали сужающейся к низу.

В традиционных трубах круглого сечения жидкость стремится к естественной закрученной форме движения, что не соответствует форме трубы. В связи с этим возникает турбулентность, и соответственно дополнительное гидравлическое сопротивление.

Лабораторией инновационных технологий КазНПУ им. Абая разработана комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по изучению влияния геометрии и материалов водоводов на гидродинамические процессы и структуру воды.

Первым этапом этих исследований является определение влияния пространственной конфигурации водоводов на скорость течения воды.

Эксперимент заключался в определении времени заполнения сливной емкости объемом 12 литров для разных конфигураций сливной трубки. Экспериментальная установка состоит из напорной емкости постоянного уровня, шарового крана, сливной трубки и сливной емкости. В эксперименте использовались сливные трубки одинакового диаметра и длины и разной конфигурации, а именно, прямая и в форме пространственной винтовой линии с конусностью (угол при вершине конуса) 30, 60 и 90 градусов. Напор Н=0,95м для всех испытаний устанавливался одинаковым.

Обработку экспериментальных данных производили в программе Advanced Grapher для каждой серии из десяти замеров с доверительной вероятностью 0,74–0,83. График зависимости построен в координатах времени заполнения сливной емкости и угла при вершине конусной винтовой линии сливной трубки, принимая для прямой сливной трубки угол конуса равный нулю. График экспериментальных зависимостей и функций аппроксимации полиномами второй – 1 и третьей – 2 степени представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – График экспериментальных зависимостей.

Из графика (рисунок 1) функции аппроксимации полиномом третьей степени видно, что наибольшая скорость истечения воды достигается при значении угла конусной винтовой спирали в пределах 30 градусов. При этом скорость истечения на 6 % выше, чем у прямой трубки.

Этот эксперимент показывает, что пространственная конфигурация водовода оказывает влияние на гидравлические потери и, вероятно на структуру воды. Это подтверждается природным извилистым течением рек.

Литература

1. Журба М.Г. Сельскохозяйственное водоснабжение. – Кишинев: Universitas, 1991. – 284с.

2. Шаубергер В. Труба для жидких и газообразных субстанций. Австрийский патент № 196680, опубликованный 25 марта 1958 года.

3. Шаубергер В. Энергия воды. – М.: «Яуза», «Эксмо». 2008. –320с.