CC BY
6
УДК 001.891; 004.94
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВОДОПРОВОДНОГО ПОТОКА
А.М. Исайкина
Были обработаны данные, полученные методом компьютерного моделирования, о давлении, скорости и температуре в прямоугольном тройнике водопровода, в котором имеется неправильная стыковка отдельных труб.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, исследование, математическое моделирование, водоснабжение, строительство.
Зачастую при монтаже водопроводной системы получаются дефектные соединения, например, непровары, смещение кромок стыка, и т.д. Одним из возможных дефектов является излишнее внедрение одной трубы в другую при их соединении под углом. Чаще всего это может происходить при сваривании труб при их взаимоперпендикулярном соединении. При этом может возникать излишняя нагрузка на трубопровод и приводить к его неправильному функционированию. Поэтому исследование того, как влияет неправильная стыковка труб на гидравлические характеристики потока является актуальным.
Однако такое исследование весьма проблематично провести с использованием метода эксперимента из-за высокой сложности или с помощью известных общих математических формул из-за весьма неточных результатов. Поэтому в данном случае целесообразно использовать компьютерно-математическое моделирование в специальных программах [1-6].
Рассматривается 2 трубы диаметром 40 мм, соединенные с помощью сварного шва взаимоперпендикулярно. Два потока воды текут с двух концов труб и соединяются далее в одном. Скорость начальная скрещивающихся потоков одинакова и составляет 2 м/с, однако их температура соответственно составляет 20 и 35 градусов. Данные начальные параметры были смоделированы в программе Ansys CFX и были получены следующие данные о средних и максимальных величинах в сечениях и на стенках труб представленные соответственно в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Средние значения исследуемых величин _
Глубина вхождения Средняя скорость, м/с Среднее давление в потоке, Па Среднее давление на стенке, Па Средняя температура потока, °С
0% 2,41 6897 6985 26,81
30% 2,47 8838 9583 26,25
50% 2,37 16553 19169 27,10
Таблица 2
Максимальные значения исследуемых величин_
Глубина вхождения Максимальная скорость в потоке, м/с Максимальное давление в потоке, Па Максимальное давление на стенке, Па Максимальная температура в потоке, °С
0% 4,69 8750 8786 35,01
30% 6,13 12990 13659 34,99
50% 8,60 31739 31856 35,00
Табличные данные не обладают достаточной наглядностью динамики изменения величин, поэтому представленные в табл. 1 и 2 данные были переведены в графический вид (рис. 1-3).
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 5
40000
го
Относительная глубина вхождения
Ш Среднее давление в потоке, Па > Среднее давление на стенке, Па
> Максимальное давление в потоке, Па > Максимальное давление на стенке, Па
Рис. 1. Общее давление
Давление является важной гидравлической характеристикой потока жидкости. Исходя из графика (рис. 1) разница между максимальной и средней величиной давления в сечении при отсутсвии внедрения одной трубы в другую составляет около 20%, в тоже время при более значительном внедрении (которое составляет 50% диаметра трубы) разница составляет уже почти 200%, что указывает на значительные нагрузки в трубе. Похожая тенденция наблюдается и для максимальных значениях среднего давления. При этом разница между средним давлением в сечении и на стенке почти незаметна при отсутсвии внедрения труб, а при 30% внедрении разница уже более существенная и составляет около 20%.
¿5 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Относительная глубина вхождения, %
9 Средняя скорость, м/с 9 Максимальная скорость в потоке. м/с
Рис. 2. Скорость
Средняя скорость потока в сечении почти не меняется в зависимости от относительной глубины вхождения. Однако максимальная величина скорости зависит от глубины внедрения и при ее увеличении увеличивается и максимальная скорость. Так при внедрении трубы на 50% увеличивается максимальная скорость более чем на 180% относительно трубопровода без дефекта соединения.
40
с
аду30
20
а у
10
о. е
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Относительная глуби вхождения, %
40%
45%
Средняя температура потока, °С
Максимальная температура в потоке, °С
Рис. 3. Температура
254
Проведенное исследование показывает, что неправильная стыковка труб водопровода способствует снижению средней скорости потоков, а также повышению среднего и максимального давления как в самом потоке, так и на стенках труб. Средняя и максимальная температура не меняется в зависимости от глубины внедрения. Данная особенность выявлена благодаря математическому моделированию и объясняется сужением площади поперечного сечения потока из-за неправильной стыковки труб.
Список литературы
1. Вайцель А.А., Сиренко Е.Р., Гаврюхина А.В. Анализ программного комплекса для расчёта гидродинамических процессов в водоснабжении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 3. С. 102-105.
2. Газаров А.Р. Анализ и обработка информации, полученной с использованием компьютерного моделирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 345-348.
3. Калинин К.А. Метод анализа аэродинамики зданий с использованием программных комплексов на базе МКЭ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 353-355.
4. Колосов Р.А. Применение современных технологических решений и программного обеспечения в строительной отрасли // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 143-145.
5. Шишкина А.А. Применение программно-математических комплексов для улучшения условий труда на производстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 327-330.
6. Шишкина А.А. Аналитический метод выбора климатического оборудования в помещении промышленного назначения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 329-332.
Исайкина Анастасия Михайловна, студентка, angel12vat@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPUTER ANALYSIS OF HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF WATER FLOW
A.M. Isaykina
The data obtained by the method of computer simulation on pressure, speed and temperature in a rectangular tee of a water supply system, in which there is an incorrect joining of individual pipes, were processed.
Key words: computer modeling, research, mathematical modeling, water supply, construction.
Isaykina AnastasiaMikhailovna, student, angel12vat@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
