СоюзДонСтрой современные бестраншейные технологии
8 800 500-65-92

Математическое и информационное сопровождение гидравлических экспериментов на трубопроводах

УДК 621.646

MATHEMATICAL AND INFORMATIONAL MAINTENANCE OF HYDRAULIC EXPERIMENTS ON PIPELINES

В статье представлены результаты исследований по созданию автоматизированной программы комплексной обработки результатов гидравлических экспериментов, проводимых на напорных трубопроводах (защитных покрытиях). Описан алгоритм процесса расчета, последовательного анализа, математического и гидромеханического моделирования трансформации гидравлических показателей, определяемых в период проведения базового эксперимента с трубой соответствующего диаметра и при моделировании перехода от одного диаметра трубопровода к другим. Представлен общий вид диалогового окна с описанием входной и выходной информации, а также функций программы на промежуточных этапах расчета гидравлических показателей. Определен и исследован механизм выбора оптимального решения по определению гидравлических показателей на основе сопоставления величин погрешности измерений реальной (по профилометру) величины шероховатости и опытного ее значения, полученного в результате эксперимента.

Процесс оперативной обработки экспериментальных данных в целях последующего эффективного управления работой и эксплуатацией трубопроводных систем широко востребован в разных областях техники [1]. ?Подобные задачи, в частности, оптимизации выбора метода бестраншейного восстановления напорных и безнапорных трубопроводов, выбора объекта реновации на трубопроводной сети, автоматизации процессов расчета безнапорных трубопроводных систем рассматривались ранее авторами статьи и другими исследователями на страницах журналов «Вестник МГСУ» [2], «Научное обозрение» [3, 4], «Технологии Мира» [5]. Настоящий материал, являющийся результатом совместных исследований коллектива сотрудников кафедры «Водоснабжение» и кафедры «Информатики и прикладной математики» МГСУ, продолжает серию аналогичных статей по разработке и использованию автоматизированных программ в целях интенсификации процесса проектирования и расчета трубопроводов и внутренних защитных покрытий из различных материалов.?Как известно, проведение гидравлических экспериментов на трубопроводных сетях с последующим математическим и гидромеханическим моделированием, используемым для пересчета ряда параметров, сопровождается сложными математическими расчетами по эмпирическим зависимостям [6, 7]. В целях оперативной реализации процесса обработки экспериментальных данных, полученных на гидравлическом стенде при исследовании напорного режима течения жидкости (воды) в трубопроводах из различных материалов, а также получения математических зависимостей изменения гидравлических показателей и построения необходимых графических зависимостей разработан алгоритм и автоматизированная компьютерная программа под названием «Программа расчета гидравлических параметров трубопроводов, математического и гидромеханического моделирования их работы при изменении диаметров».?Программой проводится ряд операций, сущность которых сводится к выполнению трёх базовых этапов: ?-1 этап - ввод и обработка данных, полученных с пьезометров, установленных в начале и конце экспериментального участка трубопровода; результатом этапа является определение и построение зависимости единичных потерь напора Н (м/м) от расхода q (м3/с), т.е. H=f(q) и получения массива величин коэффициента гидравлического трения ?m во всём диапазоне значений количества измерений (m);?-2 этап состоит из нескольких подъэтапов: ?а). подсчет элементов массива базовой величины удельного сопротивления Абаз. (с2/м6) во всём диапазоне значений количества измерений (m) для исследуемого диаметра d (м) по известной формуле (1) [8]:?                                   Абаз.m = (0,0827 ?m)/d5                                    (1)  ?б). подсчет элементов массива опытной величины удельного сопротивления Аопыт (с2/м6) во всём диапазоне значений количества измерений (m) при расходе q (м3/с) и единичном напоре Н (м/м) по формуле (2):?                                   Аопыт.m = Нm/qm2                                              (2)?в). математическое моделирование, т.е. определение условия равенства элементов массива Абаз.m и Аопыт.m путем корректировки степени при диаметре в формуле (1) в диапазоне всех (m) по формуле (3):?                                   Хm =[ln(0,0827 ?m) / Нm / qm2] / lnd,                 (3)?где Хm – уточнённый показатель степени при диаметре d в формуле (1);?- 3 этап заключается в:?а). гидромеханическом моделировании по методике Альтшуля А.Д. на базе формулы Прадтля [9, 10], что выражается в подсчете элементов массива коэффициента эквивалентной шероховатости Kэрm (мкм) в диапазоне всех (m) по формуле (4):?                                 Kэрm = 106d / (10 (0,5 / ?m 0,5 - 0,57))                          (4)?б). подсчете величины реальной погрешности в расчетных Kэрm и измеренных профилометром Кэm величинах коэффициентов эквивалентной шероховатости ?Km (%) по формуле (5):?                                 ?Km = 100?|(Kэрm - Кэm)/kэрm|                              (5)?в). выборе элемента массива с минимальной погрешностью ?Km (меньше допустимой ?Р, %) и присвоении всем элементам m-строки (в том числе, расчетной эквивалентной шероховатости Кэрm и степени «Х» при диаметре d) статуса оптимальных значений; пересчете величин коэффициентов гидравлического трения и удельного сопротивления для всего диапазона возможных диаметров Dn трубопровода с построением соответствующих таблиц и графиков функции Аn=f(Dn), где прослеживается трансформация гидравлических показателей при переходе от одного диаметра к другому. ?Ниже в качестве примера рассмотрены результаты автоматизированного расчета и получения гаммы гидравлических показателей для экспериментального участка трубопровода (диаметром 0,0952 м) с внутренним полимерным набрызгиваемым покрытием. В частности, на рисунке 1 представлено диалоговое окно программы с входной информацией, а в таблице 1 образец одной из итоговых распечаток значений коэффициента гидравлического трения и удельного сопротивления трубопроводов различных диаметров для указанного выше покрытия по итогам гидромеханического моделирования при оптимальном режиме (погрешность по шероховатости между опытными и расчетными значениями составляет ?Km < 5 %).?В качестве базовой исходной информации для гидравлического расчета (см. рис. 1) вводятся сведения по названию трубопровода, его внутреннего диаметра, длине экспериментального участка, эквивалентной шероховатости по профилометру и допустимой погрешности по шероховатости. ?В верхней части диалогового окна расположены кнопки управления, при нажатии на которые на экране дисплея появляется промежуточная информация и, при необходимости, по команде распечатываются выходные формы в виде таблиц и графиков. Кроме того, имеются кнопки для правки исходной информации, добавлений в условие проведения опытов, удаления лишней (неиспользуемой) информации.

Рис. 1 Диалоговое окно с панелью управления

Таблица 1 Расчетные значения коэффициента гидравлического трения  удельного сопротивления А трубопроводов для гаммы стандартных диаметров Dn по итогам гидромеханического моделирования и математических расчетов

После подачи команды на распечатку графических зависимостей (из числа альтернативных: линейной, логарифмической, степенной и экспоненциальной) по максимальной величине сходимости R2=1 пользователем определяется, что величина удельного сопротивления для трубопровода соответствующего диаметра может подсчитывается по формуле А=0,002D-5,3122 (экспоненциальная зависимость).?Аналогичные зависимости могут быть получены для любого подвергнутого экспериментальным исследованиям материала трубопровода или его внутреннего защитного покрытия.

Основные выводы.?1. На базе математического и гидромеханического моделирования разработана автоматизированная программа сопровождения научных исследований по анализу гидравлических показателей и их трансформации при изменении диаметров напорных трубопроводов с учетом сопоставления реального и расчетного значения коэффициента шероховатости, которые являются критерием точности проводимых исследований. ?2. Полученные результаты полезны исследователям, занимающимся вопросами изучения гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов, а также проектировщикам и строителям при решении вопросов реновации отдельных участков ветхих трубопроводов различных диаметров для оптимизации выбора соответствующего ремонтного материала (из числа альтернативных), который в наибольшей степени обеспечивает близкие гидравлические характеристики старых и восстанавливаемых участков сети.

Библиографический список?1. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети // Стройиздат, 2005, 398 с.?2. Орлов В.А., Орлов Е.В., Пименов А.В. Подходы к выбору объекта реновации на трубопроводной сети, восстанавливаемой полимерным рукавом //Вестник МГСУ.-2010.№ 3.-с. 129-131?3. Зоткин С.П, Орлов В.А., Орлов Е.В, Малеева А.В. Алгоритм и автоматизированная программа оптимизации выбора метода бестраншейного восстановления напорных и безнапорных трубопроводов //Научное обозрение.-2011, -№ 4, -с. 61-65?4. Хургин Р.Е., Орлов В.А., Зоткин С.П., Малеева А.В. Методика и автоматизированная программа определения коэффициента Шези «С» и относительной шероховатости «n» для безнапорных трубопроводов //Научное обозрение.-2011, -№ 4, -с. 54-60?5. Орлов В.А., Малеева А.В. Водоотводящие трубопроводные сети. Выбор объекта реновации на базе ранжирования дестабилизирующих факторов // Технологии Мира.-2011. № 1. – с. 31-34?6. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам // Энергия.-1972. -312 с.?7. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика // Стройиздат. - 1987.- 414 с.?8. Шевелёв Ф.А., Шевелёв А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Справочное пособие //Стройиздат.-1984.- 117 с.?9. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления //Недра.-1970. –216 с.?10. Прозоров И.В., Николадзе Г.И., Минаев А.В. Гидравлика, водоснабжение и канализация городов //Высшая школа.-1975.-422 с.

Авторы:?Орлов В.А./Orlov V.A., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжение» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26, 8(499)183-36-29; orlov950@yandex.ru?Зоткин С.П./Zotkin S.P., кандидат технических наук, профессор кафедры «Информатики и прикладной математики» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26, 8(495) 953-36-35; spzotkin@mtu-net.ru?Коблова Е.В./Koblova E.V., магистрант кафедры «Водоснабжение» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26, 8 (495) 516-96-88; linochka-viv@mail.ru

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), Москва, Россия