Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ
Посмотреть оригинал

Расчет струй.

При расчете фонтанных струй и конструировании насадок основной целью является достижение максимального художественного эффекта при близком к минимальному расходе воды. Все гидравлические расчеты заключаются в определении расходов воды, форм траекторий струй и необходимых напоров у фонтанных насадок. При этом необходимо учитывать, что выполненная в натуре конструкция почти всегда будет немного отличаться от расчетной. Поэтому всегда желательна экспериментальная проверка отдельных решений, а окончательная доводка фонтана связана с его тщательной регулировкой перед пуском в эксплуатацию.

Для получения высоких вертикальных струй необходимо, чтобы участок трубы перед насадкой был прямолинеен, без образования завихрений. Для насадок с малым диаметром (до 13 мм) трудно получить высоту струи более 30 м, так как требуются очень большие напоры. Увеличение высоты струи достигается применением насадок большого диаметра. Напомним, что наибольшая высота струи (110... 120 м) была получена при напоре 270 м. При гидравлических расчетах могут рассматриваться два вида струй: компактные и раздробленные.

Высота вертикальной раздробленной струи SB, м, может быть определена по формуле Люгеоа:

где Я — напор у насадки, м; <р — коэффициент, зависящий от диаметра насадки.

Значения коэффициента <р приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Значения коэффициента <р для различных диаметров насадок d

d, мм

Ф

d, мм

Ф

d, мм

ф

d, мм

Ф

3

0,0825

13

0,0165

23

0,0071

50

0,0014

4

0,0615

14

0,0149

24

0,0066

60

0,0009

5

0,0487

15

0,0136

25

0,0061

65

0,0007

6

0,0440

16

0,0124

26

0,0057

70

0,0006

7

0,0404

17

0,0114

27

0,0053

75

0,0005

8

0,0294

18

0,0105

28

0,0050

80

0,0004

9

0,0257

19

0,0097

29

0,0047

90

0,0003

10

0,0228

20

0,0090

30

0,0044

100

0,0002

11

0,0203

21

0,0083

32

0,0039

12

0,0183

22

0,0077

38

0,0025

Существует и другая формула для определения высоты вертикальной раздробленной струи, предложенная Фриманом:

где Н — напор у насадки, м; d — диаметр насадки, м.

Расход воды в зависимости от высоты вертикальной струи и диаметра насадки можно определить по формуле

где q — расход вертикальной струи, л/с; В„ — коэффициент истечения из насадки (табл. 10.2); <р — коэффициент, зависящий от диаметра насадки (см. табл. 10.1).

По приведенным формулам определяется высота раздробленной части струи, т.е. та высота, которую достигают отдельные капли.

Струю по вертикали можно разделить на три части: основание, ствол и крону. Крона имеет грибообразную форму, очертание ко-

Таблица 10.2

Значения коэффициента истечения В„ для различных диаметров насадки d

d, мм

Я»

d, мм

я»

d, мм

я„

1

0,000012

29

8,558

85

632,0

3

0,000981

31

11,379

90

795,0

5

0,00756

33

14,349

95

985,0

7

0,0290

35

18,167

100

1210,0

9

0,0794

37

22,620

ПО

1 770,0

11

0,1771

40

30,991

120

2 515,0

13

0,3456

44

45,37

130

3460,0

15

0,6126

48

64,26

140

4 640,0

17

1,011

55

111,0

150

6120,0

19

1,577

60

157,0

160

7920,0

21

2,353

65

217,0

170

10080,0

23

3,386

70

291,0

180

12 710,0

25

4,728

75

383,0

190

15 720,0

27

6,430

80

496,0

200

19 400,0

торой при средних напорах обычно стабильно. При больших напорах крона имеет вид снопа под влиянием пузырьков воздуха, захваченных струей. Высота компактной струи 5К меньше полной высоты раздробленной струи SB.

Высота вертикальных струй в зависимости от напора и расхода у фонтанной насадки и ее диаметра может быть определена также по табл. 10.3.

На практике иногда необходимо использовать более мощные струи, размеры которых могут быть рассчитаны по формулам или по графикам В. Г. Лобачева (рис. 10.3). На рис. 10.3 приведены графические связи между высотой струи Sv, диаметром насадки d и расходом воды q, с одной стороны, а с другой стороны — между напором Я, высотой струи SB и диаметром насадки d.

Струя, бьющая из насадки под некоторым углом, образует траекторию, немного отличающуюся от параболы, по которой движется свободно брошенное тело. Основные параметры этой траектории — горизонтальную проекцию восходящей ветви /1( нисходящей ветви /2 и максимальную высоту траектории И — в зависимости от напора у насадки и угла наклона а можно определить по следующим формулам

где /| — горизонтальная проекция восходящей ветви, м; Я — напор, м; а — угол наклона струи к горизонту, *; /2 — горизонтальная проекция нисходящей ветви, м; h — максимальная высота траектории, м.

Если обозначить показатели траектории через напор Я, то /, = Я, Я, /2 = В2Н, И = В}Н и радиус действия наклонных струй R = В0Н, где В0= Л] + В2. Тогда определение параметров траектории через указанные коэффициенты значительно упрощается (табл. 10.4).

Из приведенных материалов видно, что наибольшая дальность струи достигается при угле наклона насадки в интервале между 40 и 45°. Дальность полета струи не зависит от диаметров насадки только для напоров, не превышающих 10 м. При более значительных напорах отклонения от результатов, полученных по приведенной формуле, не учитывающей влияния диаметра насадки, очень существенны.

со

СЭ

Высота вертикальных струй фонтана в зависимости от диаметра насадки d, напора Н и расхода Q (по П.А. Спышнову) для расчета малых и средних фонтанных струй

Высота струи, м

Значения расхода Q, л/с, и напора Я, м, при диаметре насадки d, мм

3

5

7

9

14

19

25

Q

Я

Q

Я

Q

Я

Q

Я

Q

Я

Q

Я

Q

Я

1

0,033

1,09

0,088

1,05

0,167

1,04

0,282

1,03

0,68

1,02

1,25

1,01

2,12

1,01

3

0,063

40

оо

0,163

3,52

0,310

3,34

0,507

3,25

1,21

3,14

2,20

3,10

3,73

3,06

5

0,092

8,50

0,223

6,60

0,407

6,02

0,676

5,74

1,59

5,40

2,86

5,26

4,84

5,15

7

0,128

16,60

0,283

10,62

0,501

9,20

0,825

8,54

1,90

7,80

3,44

7,54

5,75

7,31

9

0,186

35,00

0,348

16,00

0,600

13,00

0,965

11,70

2,20

10,40

3,93

9,85

6,55

9,50

12

0,467

28,90

0,741

20,03

1,17

17,35

2,61

14,60

4,60

13,58

7,65

12,92

16

0,740

72,50

0,984

35,00

1,47

27,20

3,13

21,00

5,45

18,90

9,00

17,90

20

1,310

62,50

1,81

41,10

3,64

28,50

6,25

24,80

10,20

23,00

24

2,23

62,50

4,18

37,40

7,00

31,30

11,35

28,40

28

4,74

48,00

7,75

38,40

12,45

34,10

Графики для определения (по В. Г. Лобачеву)

Рис. 10.3. Графики для определения (по В. Г. Лобачеву):

о — высота струи S, м, в зависимости от диаметра насадки d, мм или дюймы, и расхода q> л/с; б — напор у насадки //, м, в зависи- 2 мости от высоты струи 5, м, и диаметра насадки d, мм или дюймы

Значения коэффициентов Л0, Л,, Л2и В} в зависимости

от угла наклона а

Угол наклона а, '

Коэффициенты траектории

В,

в2

В„

By

10

0,455

0,342

0,797

0,030

15

0,488

0,494

0,982

0,066

20

0,617

0,615

1,232

0,113

25

0,720

0,785

1,505

0,169

30

0,790

0,834

1,624

0,235

35

0,822

0,865

1,687

0,300

40

0,827

0,919

1,746

0,372

45

0,810

0,930

1,740

0,432

50

0,760

0,900

1,660

0,489

55

0,688

0,884

1,572

0,540

60

0,596

0,763

1,359

0,583

65

0,497

0,665

1,162

0,616

70

0,391

0,546

0,937

0,640

80

0,183

0,280

0,463

0,663

85

0,089

0,140

0,229

0,666

90

0

0

0

-

При расчете фонтанных наклонных струй формулой (10.1) можно пользоваться при напорах, не превышающих 20 м. В результате экспериментов, проведенных Ф. Цункером, для наклонных струй под углом 30° к горизонту с расположением насадки на 2 м от поверхности земли получены поправки (табл. 10.5) к идеальной дальности полета струи R, м, рассчитанной по формуле

где v0 — начальная скорость струи у насадки, м/с; g — ускорение силы тяжести, м/с2; а — угол наклона струи, *.

Все расчеты струи проводятся для случая работы в безветренные дни. Влияние ветра на высоту и дальность горизонтального полета струи, направленной под углом 32° к горизонту, можно

Поправочные коэффициенты на дальность полета фонтанной струи в зависимости от напора и диаметра насадки

Напор у насадки Я, м

Поправочный коэффициент при диаметре насадки, мм

Идеальная дальность полета струи, м

20

30

37

48,5

10

1,00

1,00

1,00

1,00

17

20

0,94

0,97

0,98

1,00

34

40

0,68

0,83

0,92

0,99

68

60

0,56

0,72

0,82

0,91

96

определить с помощью экспериментальных оценок Д. Фримана (табл. 10.6).

Для нормальной работы вертикальных струй необходимо, чтобы было выдержано правильное соотношение между высотой струи и размером водоема, из которого эта струя бьет.

Пренебрегая незначительным сопротивлением воздуха, зависимость между скоростью падения капель v, м/с, высотой падения капель Л, м, и временем падения капель /, с, можно записать в следующем виде:

Учитывая все факторы, размеры фонтанных бассейнов следует устанавливать по высоте струи: при цилиндрических насадках диаметр круглого или сторона квадратного бассейна должна быть равна половине высоты струи, а при более часто применяемых распыляющих насадках — 2/3 этой высоты.

Расчет трубопроводов. Расчет трубопроводов производят, пользуясь схемами водоснабжения фонтанов (рис. 10.4). Таких схем может быть много, но мы рассмотрим только четыре. На рис. 10.4, а используется вода городского водопровода высокого давления (достаточного для функционирования фонтана). Удаление воды осуществляется через дождевую канализацию.

На рис. 10.4, б представлена такая же система, но недостаток напора в городской сети восполняется специальным фонтанным насосом. Удаление воды осуществляется так же через дождевую канализацию. Обе схемы достаточно расточительны и требуют при использовании дополнительного обоснования.

Влияние ветра на высоту и дальность полета фонтанной струи, направленной под углом 32е к горизонту

Показатель

Вид струи

Диаметр

насадки,

мм

Показатели при напоре Ну насадки, м

5

10

15

20

30

40

50

60

70

Высота струи, м

Компактная при свсжсм ветре

19

3,7

7,3

11,0

14,4

16,2

21,6

23,6

24,4

25,4

35

4,0

7,9

11,6

15,2

18,3

24,6

27,7

29,6

31,0

Раздробленная при безветрии

19

4,3

9,8

13,1

17,7

25,3

31,0

36,0

39,0

41,0

35

4,6

9,5

14,0

18,3

27,8

36,0

43,0

48,0

50,0

Дальность полета наклонной струи, м

Компактная при свежем ветре

19

4,3

7,0

9,5

11,0

14,0

15,8

17,7

19,5

20,8

35

5,5

9,5

13,1

15,8

20,4

23,0

25,0

27,0

28,7

Раздробленная при безветрии

19

7,8

15,5

23,2

28,6

35,8

41,0

45,0

48,5

51,0

35

8,8

17,4

26,6

34,2

47,0

55,0

62,0

67,0

72,0

б

Схемы водоснабжения фонтанов

Рис. 10.4. Схемы водоснабжения фонтанов:

а — из высоконапорного водопровода (сброс в дождевую канализацию); б — из низконапорного водопровода с созданием дополнительного напора насосом; в — из низконапорного водопровода с оборотным водоснабжением; г — из резервуаров-накопителей с речным или родниковым питанием при естественном напоре (сброс в водоприемник); 1 — водопроводная труба; 2 — водосточный колодец; 3 — насос; 4 — запорные вентили; 5 — резервуар

На схеме, представленной на рис. 10.4, в, предусмотрено оборотное водоснабжение, при котором вода из бассейна сливается в специальный резервуар. Для заполнения резервуара и работы фонтана используется один и тот же насос. Схема, приведенная на рис. 10.4, г, используется на пересеченном рельефе, где имеется источник воды или же он создается искусственно путем подачи воды в верхний резервуар. При этой схеме вода для фонтанов может использоваться несколько раз. Кроме того, здесь возможно применение гидравлического тарана, если перепад высот недостаточен для функционирования фонтанов.

Из приведенных схем видно, что основные расчеты с водоснабжением фонтанов связаны с расчетами трубопроводов. При подборе диаметров фонтанных трубопроводов и определении сопротивлений в них нужно исходить из того, что скорость движения воды в магистральных линиях достигает 1 м/с, на разводящих и кольцевых трубопроводах — 0,5...0,6 м/с.

Величину потерь напора на трение по длине hm, м, можно определить по формуле

где X — коэффициент сопротивления по длине; / — длина трубопровода, м; d — диаметр трубопровода, м; v — скорость движения воды, м/с; g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2.

Для водопроводных труб, работающих в нормальных условиях, коэффициент X можно определить по формуле

где D — диаметр трубы, м.

Помимо потерь по длине существуют и местные потери йм, которые можно определить по формуле

где — коэффициент местных сопротивлений; v — средняя скорость движения воды, м/с.

Рассмотрим несколько примеров местных потерь напора.

  • 1. Внезапное расширение трубопровода. Площадь поперечного сечения узкой части coi, широкой — со2. Коэффициент местных потерь 4 зависит от отношения co2/coi:
    • (Ог/ш,................. 10 8 6 4 2 1

%........................ 81 49 25 9 1 0

2. Внезапное сужение — обратный вариант:

со2/СО)................. 0,00 0,20 0,60 1,00

%........................ 0,50 0,40 0,20 0,00

  • 3. Вход в трубу. При острых кромках t; = 0,50; при закругленных кромках и плавном входе = 0,20; при плавном входе Е, = 0,05.
  • 4. Диафрагма внутри трубы, где со — площадь диафрагмы, со2 — площадь сечения трубы за диафрагмой:

С0/0>2.........

......... 0,05 0,10

0,40

0,60

0,80

...............

......... 1070 245

8,2

2,0

0,41

5. Поворот трубы на угол а:

а, *..........

......... 30

50

70

90

...............

......... 0,20

0,40

0,70

1,10

6. Задвижка. Зависимость коэффициента от степени закрытия задвижки, выраженной через отношение площадей Шз/со:

о>з/ со.................... 1,00 0,856 0,609 0,315 0,159

........................ 0,00 0,26 2,06 17,0 97,8

Более подробные сведения изложены с справочниках по гидравлике.

В тупиковых фонтанных трубопроводах или замкнутых кольцевых с просверленными отверстиями или большим количеством насадок происходит непрерывный расход воды по всей длине трубопровода. Интенсивность расхода по длине составляет

где q — удельный расход на 1 пог. м, м3/с или л/с; Q — расход воды всей системой, м3/с или л/с; / — длина системы, м.

Для кольцевых трубопроводов интенсивность непрерывного расхода составит

где D — диаметр кольцевого трубопровода, м.

Кольцевые трубопроводы для обеспечения примерно равного напора получают питание не из одной, а из нескольких точек, симметрично расположенных на кольце. Расчет производят по участкам без увязки колец. Таких участков на кольце с двумя точками питания будет четыре, с тремя — шесть, с четырьмя — восемь и т.д. Расчет производится на одном участке, так как при симметричном расположении точек питания потери на всех участках будут равны между собой.

Фонтанные насадки изготавливают из латуни или бронзы с тщательной шлифовкой и полировкой их внутренней поверхности. Применение стальных насадок, быстро ржавеющих, не рекомендуется. Особое внимание необходимо обращать на тщательную обработку выходных отверстий цилиндрических насадок, обрез которых должен быть перпендикулярен осям насадок.

Дробление струи в воздухе происходит от силы земного притяжения, разрушения струи от вихревых явлений при выходе ее из насадки и от сопротивления трению струи о воздух. Последняя величина незначительна и при расчете струй не учитывается. Во избежание быстрого разрушения вертикальных или наклонных струй и обеспечения их максимальной компактности и наибольшей высоты подъема длина прямого участка перед обрезом насадки должна быть не менее 2Od, где d — диаметр отверстия насадки. Если это требование трудно выполнимо, то перед насадками на прямых участках ставят выпрямители (успокоители струй) в виде вставки из пересекающихся плоских пластин.

Выпрямитель ставят на расстоянии не менее 3...4 диаметров трубы от фасонной части, служащей источником образования вихрей. Выходной конец (более тонкий) должен находиться не ближе 1... 2 диаметров до входа в насадку. Длина успокоителя должна в 12—15 раз превышать ширину его ячеек, а диаметр — в 4 — 5 раз превышать диаметр насадки. Установка таких выпрямителей увеличивает дальность полета струй на 8... 10 %.

Для фонтанов чаще всего применяют цилиндрические или ко- ноидальные насадки, создающие сплошную неразрывную струю, или насадки, распыляющие воду. Если же для создания определенного художественного и психологического эффекта требуется раздробленная вертикальная струя или образование водяных фигур в виде колокола, снопа, спирали или других форм, то в этих случаях применяются насадки специальных конструкций.

Расход воды Q, м3/с, через насадку определяется по формуле

где р — коэффициент расхода воды, зависящий от формы и конструкции насадки, а также от напора воды; F — площадь выходного отверстия, м2; Н — напор у насадки, м.

Для коноидальных и пожарных наконечников, имеющих коэффициент расхода воды р = 1, коэффициент истечения В„ можно определить по табл. 10.2.

В табл. 10.2 величина В„ определяется по формуле

где d — диаметр насадки, мм.

В табл. 10.2 приведены значения коэффициента истечения Вк для р = 1. При насадках с другой величиной коэффициента расхода р значения Вн необходимо умножить на величину р2 принятой насадки.

Струя, вытекающая из насадки, непрозрачная; она заполнена пузырьками воздуха, захватываемого струей из воздушного кольцевого сечения в месте сжатия струи внутри насадки. Но если в насадке, где происходит сжатие струи, сделать отверстия, то струя станет прозрачной. Сопротивление насадок невелико, поэтому при расчете фонтанных систем им можно пренебречь.

Потери воды в фонтанах. При функционировании фонтанов происходят потери воды по различным причинам. При устройстве циркуляционного водоснабжения учет потерь особенно важен, так как от величины потерь зависит необходимый объем пополнения резервуара.

При работе фонтана неизбежны потери на разбрызгивание, унос ветром, испарение с водной поверхности, а также потери на фильтрацию из бассейнов и резервуаров.

Расход на унос ветром в зависимости от конструкции фонтанной насадки, высоты струи и силы ветра может составлять 0,5... 1,5 % для цилиндрических насадок и 1,5... 3,0 % для насадок, распыляющих воду. При применении насадок специальных конструкций, разбрызгивающих воду мелкими каплями, необходимо на дополнительное испарение воды мелкодисперсными струями увеличивать потери при разбрызгивании еще на 0,6...0,8 %.

Для определения потерь воды на разбрызгивание, например за сутки, необходимо знать расход воды, число часов работы фонтана и процент потерь. Тогда потери на разбрызгивание можно определить по формуле

где W — объем потерь воды за сутки, м3; Q — расход фонтана, л/с; Р — потери, %.

Кроме того, необходимо учесть потери воды на испарение с поверхности бассейна, которое зависит от ряда факторов. Если реальное испарение учесть сложно, то испаряемость И (обычно за месяц), мм, можно определить, например, по формуле Н.Н. Иванова

где К, — энергетический фактор испарения, мм/мбар; d9 — дефицит влажности воздуха, мбар;/(у) — функция, учитывающая влияние скорости ветра.

Величину К, можно определить по формуле

где t — температура воздуха, "С; /„ — упругость насыщенного пара, соответствующая этой температуре, мбар.

Дефицит влажности воздуха d9 при отсутствии данных наблюдений молено рассчитать по уравнению

где <р — относительная влажность воздуха, %.

Ветровую функцию /(и) можно определить по следующей зависимости:

где и2 — скорость ветра на высоте 2 м от поверхности земли, м/с.

При хорошем выполнении работ по устройству фонтанов потери на фильтрацию с учетом прочих потерь невелики и в течение расчетного срока их можно принять равными 0,2...0,4 %.

Просуммировав все указанные ранее потери за сутки или за месяц и зная емкость водяного бака фонтана, легко определить величину и периодичность пополнения запасов воды, а также наметить способ такого пополнения. При прямоточном функционировании фонтанов определение потерь имеет, скорее, познавательную ценность, а не технологическую.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы