Особенности гидродинамики и расчет дренажных систем конструкции "Экотон"

УДК 628.543.563:681

Зубко А.Л. (Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуре, научно - производственная фирма  "ЭКОТОН")

Для расчета дренажно-распределительной системы (ДРС) необходимо знать закономерности изменения пъезометрического давления и коэффициента расхода отверстий  по длине распределителя воды. Изменение пьезометрического давления в дырчатом распределителе воды обычной конструкции показано на рис.1.

Как следует из рис.1. полный напор воды (Н_полн) перед прямолинейным дырчатым распределителем Н_полн состоит из следующих элементов:

Н_полн = Н₀ + Н_д;   (1)

Н_полн - Н₀ = Н_д;

где: Н0- высота столба воды в фильтре при его промывке,м; Нд - напор воды, теряемый в дарчатом распределителе,м

Иногда Нд - называют располагаемым напором.

Располагаемый напор Нд расходуется следующим образом:

Н_д = h_вх + h₁ + h₂ + h_пр.н. + h_L1,   (2)

где h_вх  - потери напора при входе в трубу, м; h₁ , h₂ - потери напора при выходе струй из первого и последнего отверстий, м; h_пр.н. - приращение напора по длине трубы, м; h_L1 - потери напора по длине трубы, м; 

При делении потоков коэффициент сопротивления описывается формулой:

e_вх = 0,35(Q_б / Q_с)²   (4)

где Q_б - расход воды в ответвлении, м³/с; Q_с - суммарный расход воды, м³/с.

Потери напора при входе в трубу следует рассчитывать по формулам для тройников [1]:

   (3)

где : e_вх - коэффициент сопротивления, v_max- средняя скорость суммарного расхода воды при входе в дырчатую трубу, м/с. 

При делении потоков коэффициент сопротивления описывается формулой:

e_вх = 0,35(Q_б / Q_с)²   (4)

где Q_б - расход воды в ответвлении, м³/с; Q_с - суммарный расход воды, м³/с.

Существенными являются потери напора при выходе струй из первого отверстия

  (5)

где v_c- скорость струи, выходящей из отверстия, м/с; m - коэффициент расхода; r - плотность воды, кг/м³.

С другой стороны потери напора при выходе струи из первого отверстия можно определить по формуле:

   (6)

где a - коэффициент расхода; v_max- скорость движения транзитного расхода воды в сечении первого отверстия, м/с.

Так как коэффициенты расхода и, в частности, для любых элементов получают экспериментальным путем, воспользуемся зависимостью Егорова А.И., полученной в условиях испытаний дренажей большого сопротивления[2,3]:

   (7)

где :   Re* = v* d*; v* = v/v_c; d₁* = d / d₀; d* = d / d₀; v - средняя скорость движения основного потока на участке расположения отверстия, м/с; d - диаметр трубы, м; d₀ - диаметр отверстия, м; d - толщина стенки трубы, м.

Следует отметить, что формула (7) получена для случая истечения струи в неограниченное пространство. В трубчатом элементе "ЭКОТОН" струя, выходящая из отверстия, ограничена нормально расположенной пористой стенкой, что является причиной уменьшения величиныm (рис.2).

Проведены исследования, направленные на определение гидравлических параметров работы трубофильтров конструкции "Экотон". Исследования проведены на стенде для гидравлических испытаний элементов ДРС различных конструкций: перфорированных (дырчатых) полиэтиленовых труб (каркасов), трубофильтров с диспергирующим слоем, нанесенным на перфорированную трубу без воздушной прослойки, трубофильтров с воздушной прослойкой и др.

Проведено несколько серий экспериментов. Для первой серии изготовлены образцы трубофильтров, размеры которых представлены в табл.1

Таблица 1. - Размеры каркасов трубофильтров с различной перфорацией.

В процессе испытаний определяли скорости движения воды в коллекторе, трубофильтрах и отверстиях, расходы воды, потери напора и др. При этом каждый образец трубофильтра испытывали как с напылением диспергирующего слоя, так и без него. Результаты испытаний представлены в табл.2.,3.

Таблица 2.-Параметры работы трубофильтров с напылением и без него (по результатам замеров). 

При этом потери напора в перфорированной трубе (каркасе) определяли  согласно показаниям манометра и с помощью расчета в соответствии со СНиП по формуле (8)

   (8) 

где    a= SSотв / Sколл; SSотв - сумма площадей отверстий в образце, м²; Sколл - площадь поперечного сечения трубы, м²; Vколл - скорость воды в коллекторе, м/с; Vответ - скорость воды в ответвлении (образце), м/с; 

Полученные данные свидетельствуют о следующем:

1. Напыление диспергирующего слоя, нанесенного непосредственно на трубу существенно (примерно в 2 раза) увеличивает гидравлическое сопротивление трубофильтра;
2. Для уменьшения сопротивления трубофильтра имеющего напыление диспергирующего слоя необходимо перфорацию каркаса выполнять отверстиями диаметром 8 мм и количеством 60 шт на 1 погонный метр (в случае пониженных промывных напоров (из башни)), и количеством 50 шт при промывке с помощью насосов. 

Таблица 3 -Параметры работы трубофильтров с напылением и без него (с учетом расчета потерь напора).