CC BY
8
УДК 001.891:004.94
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-225-228
К ВОПРОСУ О КОМПЬЮТЕРНОМ МЕТОДЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ВОДОПРОВОДЕ
А.М. Исайкина
В настоящее время большое внимание уделяется оптимизации и совершенствованию различных процессов, технологий, оборудованию, в том числе это касается и строительства. При этом для проведения совершенствующих работ предварительно необходимо изучить то или иное оборудование. Наиболее современным и удобным способ исследований сейчас является компьютерное моделирование, при котором происходит эмуляция различных процессов, в том числе возможно изучение и гидродинамических характеристик потоков в водопроводных и иных трубах, и как следствие, гидродинамических потерь. В данной статье проводится как раз исследование с помощью специализированного программного обеспечения компьютерное моделирование истечения водопроводной системы и выявление ее потерь при определенных условиях. Исследуются потери по скорости и давлению потока, выявляются закономерности и строятся диаграммы скорости. Делаются выводы о том, как влияют исследуемые условия моделирования на абсолютную и относительную потерю скорости и давления потока. Делаются выводы по проделанной работе и полученным в результате моделирования данным после их обработки.
Ключевые слова: аналитика данных, математическое моделирование, гидродинамика, потери, гидродинамические потери, водоснабжение, скорость, трубопровод, программное обеспечение.
В настоящее время перед каждым ученым-исследователем или инженер-конструктором стоит огромное количество задач и проблем, которые необходимо решить. При этом их сложность может сильно отличаться, также, как и трудоемкость их решения. Однако с приходом цифровизации и компьютеризации в жизни научных сотрудников, работников промышленных предприятий и иных структур появились новые инструменты для решения как простых, так и сложных задач. Именно благодаря современным и при этом технически сложным программным обеспечениям возможно значительное облегчение работы. Так программы способны решать различные по природе задачи, начиная от решения математических уравнения в отдельности, заканчивая построением и соответственно решением сложнейших физико-математических или иных моделей. Такими программами возможно решение целого ряда задач: определение сейсмоустойчивости зданий, выявление химических реакций у различных реагентов, вычисление электромагнитных полей, построение траекторий движения различных сложных космических объектов, прогнозирование разрушения материалов и конструкций, определение потерь на трение в механизмах, расчет гидродинамических и газодинамических характеристик потоков и многое другое [1-10]. В частности, перед людьми стоит извечная проблема по оптимизации и улучшению уже существующих технологий, объектов, процессов, оборудования. Не обошла эта проблема стороной и отрасль строительства и проектирования оборудования, в которых существуют водопроводные системы, питающие будь то жилые здания или промышленное оборудование на производственных площадках. При этом может произойти такая ситуация, что в результате потери в гидравлической системе или водопроводной будет нехватка давления или массового расхода жидкости, что может привести к серьезным последствиям, в виде поломок, критического выхода из строя оборудования, нехватки жидкости для охлаждения и тушения или для бытовых нужд. Поэтому определение влияния различных факторов на выявление потерь в водопроводной системе является важной задачей.
Одной из проблем в водопроводной или гидравлической системе представляют собой краны, которые являются неотъемлемой частью таких систем, и выполняют роль запорного механизма, переключающего и пр. Так при использовании кранов, основной функцией которых является перераспределение потов, может произойти неполное запирание одного канала при открытом другом, в следствие чего возникают потери в давлении и скорости основного потока жидкости, что особенно характерно для шаровых кранов. У которых возникает невозможность закупоривания одного потока при открытии другого, что может быть связано с износом механизма или с образованием отложений. Поэтому в данной работе рассматривается и оценивается
225
Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып. 7
влияние того, как зазор (возникающий при недостаточном закрытии дополнительного потока) влияет на истечение воды в основном потоке. То есть при непосредственном движении потока воды в необходимом направлении возникают подтеки. В данном случае рассматривался поток диаметром 25 мм, в котором осуществляла течение сплошным потоком обычная вода без дополнительных включений или примесей при температуре 20°С. Для выявления закономерности влияния зазора на потери в основном потоке были выбраны несколько величин зазоров, составляющие 2 и 4 мм, при этом сравнение велось с потоком, в котором не происходило прямых потерь и отсутствовал зазор на втором потоке. Зазор определялся как расстояние, от края окружности потока до окружности запорного шарового элемента. Для облегчения решения задачи и более детальной оценки потерь были проведены соответствующие компьютерные моделирования в программе Ansys, в которой были определены основные исследуемые параметры и в последствии занесены в таблицу.
Таблица
Изучаемые характеристики^ при соответствующем зазоре_
Параметры 0 мм 2 мм 4 мм
Скорость воды на входе, м/с 2 2 2
Средняя скорость воды на основном выходе, м/с 1,99 1,89 1,78
Средняя скорость воды на дополнительном выходе, м/с 0 0,33 0,45
Среднее давление воды на основном выходе, Па 2034 1829 1619
Среднее давление воды на дополнительном выходе, Па 0 12 91
Потеря в скорости на основном выходе, м/с 0,01 0,11 0,22
Потеря в скорости на основном выходе, % 0,5 6 11
Скорость первоначального потока воды составлял 2 м/с, и при прохождении в потоке без зазора, скорость потока на выходе падала примерно на 0,5%, что связано с трением о стенки. При наличии зазора скорость падала более выражено, так при зазоре 2 мм потеря составила 6%, а при зазоре 4 мм - 11%. Так же было изучено падение давления. Было установлено, что относительно беззазорной подачи при зазоре 4 мм падение давления составило примерно 20%.
Далее полученные скоростные данные были занесены в диаграмму (рисцнок), для более наглядной демонстрации потерь.
2,5
2 1,99 2 1,89 2
1,78
0 0,33 0,45
0 2 4
Зазор, мм
■ Скорость воды на входе, м/с Средняя скорость воды на основном выходе, и/с Средняя скорость воды на дополнительном выходе, м/с
Скоростные показатели трубопровода
По полученным данным можно сделать вывод о том, что, чем больше зазор, тем больше потери как по показателям давления на выходе, так и по показателям скорости потоков. При этом установлено, что при зазоре 4 мм происходит потеря в скорости на выходе практически 11%. Таким образом выявлено, что необходимо своевременно определять степень износа механизмов, осуществляющих транспортировку жидкостей во избежание возможных поломок и проблем.
Список литературы
1. Назаров И.А., Справочник проектировщика. Водоснабжение население населенных мест и промышленных предприятий. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1977. 288 с.
226
2. Попкович Г.С., Гордеев М.А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведе-ния. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1986. 392 с.
3. Белоконев Е.Н., Попова Т.Е., Пурас Г.Н. Водоотведение и водоснабжение. М.: Феникс, 2012. 384 с.
4. Булавин Л.А., Выгорницкий Н.В., Лебовка Н.И. Компьютерное моделирование физических систем. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. 352 с.
5. Лычкина Н.Н. Современные тенденции в имитационном моделировании. - Вестник университета, серия Информационные системы управления №2. М.: ГУУ, 2000. 136 с.
6. Никитин, А.В. Компьютерное моделирование физических процессов. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 679 с.
7. Исайкина А.М. Исследование характеристик потоков в трубопроводе методом математического моделирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 4. С. 448-451.
8. Исайкина А.М. Компьютерный анализ гидродинамических характеристик водопроводного потока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 253-255.
9. Сиренко Е.Р. Подход к определению потерь в трубопроводе // Инженерные технологии: традиции, инновации, векторы развития: сборник материаловУ1 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / отв. ред. Д. Ю. Карандеев. Абакан: Издательство: Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова, 2020. C. 34-35.
10. Вайцель А.А. Анализ потерь в трубопроводе с применением программных продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 336-339.
Исайкина Анастасия Михайловна, студентка, angel12vat@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ON THE QUESTION OF A COMPUTER METHOD FOR DETERMINING HYDRODYNAMIC
LOSSES IN A WATER PIPING
A.M. Isaykina
Currently, much attention is paid to the optimization and improvement of various processes, technologies, equipment, including construction. At the same time, in order to carry out improving work, it is first necessary to study one or another equipment. The most modern and convenient method of research now is computer simulation, in which various processes are emulated, including the study of the hydrodynamic characteristics of flows in water and other pipes, and, as a result, hydrodynamic losses. In this article, just a study is carried out with the help of specialized software, computer simulation of the outflow of a water supply system and the identification of its losses under certain conditions. Losses in flow velocity and pressure are investigated, patterns are identified and velocity diagrams are constructed. Conclusions are drawn about how the studied simulation conditions affect the absolute and relative loss offlow velocity and pressure. Conclusions are drawn on the work done and the data obtained as a result of modeling after their processing.
Key words: data analytics, mathematical modeling, hydrodynamics, losses, hydrodynamic losses, water supply, speed, pipeline, software.
Isaykina Anastasia Mikhailovna, student, angel12vat@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
