СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ, СНИЖАЮЩЕГО ВРЕДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ

Полный текст

Введение Расчетами, связанными с неустановившимся движением жидкости и гидравлическим ударом в частности ученые занимаются уже достаточно давно. Первые серьезные исследования движения жидкости в трубопроводах, расчеты гидравлического удара связаны с именем Н.Е. Жуковского [1]. Им были выведены дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости, а также разработаны способы снижения скачков давления с помощью воздушного колпака [2]. Теория расчета неустановившегося движения вязкой и сжимаемой жидкости в трубах была разработана И.А. Чарным [3]. Он ввел гипотезу квазистационарности потока, а С.А. Христианович применил ее для вычисления неустановившегося течения в руслах. Идея гипотезы состоит в том, что сила трения жидкости о стенку трубы в нестационарном режиме принимается такой же, как и при стационарном течении со скоростью, равной мгновенной скорости рассматриваемого стационарного течения. Согласно И.А. Чарному, уравнения (движения и неразрывности) неустановившегося движения несжимаемой жидкости могут быть записаны в виде ¶ ⎛ v2 ⎞ ¶v rl ⎜rgz + p + ar ⎟ + a¢r + v | v | = 0, ⎡Н/м 3 ⎤ (1) ¶x ⎝ 2 ⎠ ¶t 2D ⎣ ⎦ v ¶p + ¶p + rc2 ¶v = 0, ⎡Н/(м2 × сек)⎤, (2) ¶x ¶t ¶x ⎣ ⎦ где p - абсолютное гидродинамическое давление; v - средняя по живому сечению скорость; g - ускорение свободного падения; z - геометрическая высота; ρ - плотность жидкости; t - время; λ - коэффициент гидравлического трения по длине; D - диаметр трубопровода; c - скорость распространения волны давления; α и α′ - коэффициенты Кориолиса и Бусинеска, принято, что α = α′ = 1. Современные тенденции Развитие оборонной промышленности и формирование ракетных комплексов потребовали от ученых создания надежных систем, обеспечивающих равномерную подачу жидкого топлива от топливных баков к двигателям. Для решения этой задачи потребовалось развитие теории, описывающей работу различного оборудования при неустановившемся движении жидкости. Этой проблемой занимались А.П. Владиславлев, А.А. Козобков, В.А. Малышев, Р.Ф. Ганиев, Х.Н. Низамов [4] и др. Способы и средства защиты от колебаний давления в авиационных трубопроводах изложены в монографии В.А. Шорина [5], где описаны газожидкостные стабилизаторы емкостного типа, гасители типа параллельного резонансного контура и др. Продолжением исследований Р.Ф. Ганиева и Х.Н. Низамова являются работы Ф.В. Рекача (с соавт.) [7; 9; 11], в которых рассчитаны гидравлические схемы, включающие стабилизатор давления диссипативного принципа действия точными методами, а также проведен анализ допустимых динамических нагрузок на трубопровод. Изучению данной актуальной проблематики посвящены работы таких иностранных ученых, как A. Ismaier, E. Schlueker [12], Z. Liu, J. Jiang, X. Yang [13], M.R. Nikpour, A.H. Nazemi, A. Hosseinzadeh Dalir, F. Shoja, 1. Varjaland [14], S. Henclik [15] и др. С развитием вычислительной техники появляются новые возможности для расчета уже более сложных гидравлических схем, включающих различное инновационное оборудование. При этом имеется возможность исследовать параметры неустановившегося движения жидкости для определенных временных характеристик включения-выключения и срабатывания оборудования (насосных станций, запорной арматуры, стабилизаторов давления, сбрасывающих устройств и т.д.). Наибольшее развитие получил численный метод характеристик, позволяющий интегрировать квазилинейные гиперболические уравнения неустановившегося движения жидкости. Данный метод использует схему расчета, отличающуюся простотой и экономичностью с ограничением на шаг интегрирования (условие Куранта - Фридриха - Леви), и обеспечивает точность расчетов до 15%. Метод широко применяется для решения задач гидравлического удара в однофазной (а в дальнейшем и многофазной) жидкости в работах Д.А. Фокса [6] и др., и кратко описан в [8]. Для удобства расчетов в качестве основных характеристик потока принимается расход Q = F · v и абсолютный гидродинамический напор (выраженный в метрах водяного столба) H = p/(ρg). Вместо (1) и (2) получим: ¶ ⎛ Q2 ⎞ ¶Q l ⎜ gFz + gFH + ⎟ + + Q | Q | = 0, ⎡м3 /сек 2 ⎤ (3) ¶x ⎝ 2F ⎠ ¶t 2DF ⎣ ⎦ 2 Q ¶H + ¶H + c ¶Q = 0, [м/сек]. (4) F ¶x ¶t gF ¶x Одним из актуальных направлений развития данной тематики для промышленных и гражданских гидравлических объектов является расчет длинных и коротких трубопроводов с включением в гидравлическую схему различного оборудования с заданными характеристиками работы. Значительное внимание учеными было уделено анализу и развитию стабилизаторов давления новых типов. Так, в работе [7] рассчитан стабилизатор давления, работающий при средних (от 2 до 5 МПа) и высоких (от 5 до 20 МПа) давлениях. Упругая камера (УК) является одним из основных элементов стабилизатора давления. Она представляет собой замкнутое объемное тело, которое при повышении давления уменьшает свой объем, а при понижении - увеличивает. Также в работе подробно описаны назначение и расчет стабилизатора давления при работе. Технические характеристики УК (рабочее давление, податливость, объем жидкости, вмещаемой камерой, химические и физические условия работы камеры и т.д.) определяют качество работы стабилизатора давления. В статье [7] описан стабилизатор давления, который гасит вредные колебания в определенном диапазоне частот, проведен анализ эффективности работы оборудования при тех или иных условиях. Показано, что данный жесткий стабилизатор, разделяя поток жидкости, способен хорошо гасить колебательные частоты, на которые он рассчитывается. При этом он также уменьшает амплитуды колебаний в достаточно широком спектре частот. Работа [10] посвящена правильному подбору суммарной площади перфорационных отверстий для оптимального снижения гидроудара до 30% при оптимальном подборе перфорационных отверстий. В статье [11] исследуется неустановившееся движение жидкости при отключении центробежных насосов с разными моментами инерции и диаграммами Сьютера, а также анализируется влияние нарушения сплошности потока жидкости на колебательный процесс в трубопроводе. В статье [10] разработано мембранно-сбрасывающее устройство, проведен расчет характеристик при возникновении в системе гидроудара, использована идея «демпфирующего» влияния протяженного участка трубопровода с низкой скоростью распространения волн повышенного давления на нежелательное повышение давления в системе. В статье [7] проведены вычисления упрощенной тепловой сети г. Нижнего Новгорода с точки зрения возникновения аварийных ситуаций. Рассмотрены случаи возможного отключения электроэнергии, вследствие чего срабатывает запорная арматура и возникают области распространения повышенного давления. В статьях [8; 9] представлены теоретические материалы, обобщающие опыт расчета трубопроводов с различными физическими характеристиками жидкости. В статье [10] рассчитаны эллиптические упругие камеры точными методами, а в [11] проведены вычисления сложной гидравлической системы, содержащей несколько колец. В дальнейшем авторами планируются численные эксперименты с включением в схемы различных видов оборудования и исследование их взаимодействия. Заключение Современные методы численного интегрирования позволяют достаточно точно описывать неустановившееся движение вязкой жидкости. В расчетах можно задавать физические и иные характеристики проектируемого или уже существующего оборудования с четким указанием временных факторов работы. Особенно это касается элементов запорной арматуры и способа пуска насосных агрегатов. Технический прогресс ставит новые проблемы, возникающие при эксплуатации гидравлических систем и оборудования, которые успешно решаются специалистами. В настоящий момент имеются отечественные (ZULU) и иностранные (голландская WANDA) программы численного расчета неустановившегося движения жидкости, помогающие моделировать и исследовать конкретные инженерные задачи.

Об авторах

Евгений Константинович Синиченко

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: sinichenko_ek@pfur.ru

кандидат технических наук, доцент департамента архитектуры и строительства Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Илья Игоревич Грицук

Российский университет дружбы народов (РУДН); Институт водных проблем РАН (ИВП РАН); Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

Email: gritsuk_ii@pfur.ru

кандидат технических наук, доцент департамента архитектуры и строительства Инженерной академии, Российский университет дружбы народов, старший научный сотрудник, Институт водных проблем РАН (ИВП РАН), доцент кафедры гидравлики, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет. Область научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6; Российская Федерация, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; Российская Федерация, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64

Леонид Евгеньевич Щесняк

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Email: obeorne@mail.ru

аспирант департамента архитектуры и строительства Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: гидравлика, инженерная гидрология

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы