CC BY
36
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
УДК 621.644
В.А. Орлов, С.П. Зоткин, Е.В. Коблова
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
НА ТРУБОПРОВОДАХ
Проведено исследование 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.
Ключевые слова: гидравлический эксперимент, трубопровод, моделирование, шероховатость, погрешность, автоматизированная программа.
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, задача 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 водоснабжения 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 трех базовых этапов:
1-й 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. Н = Лд), и получения массива величин коэффициента гидравлического трения Хт во всем диапазоне значений количества измерений т;
2-й этап состоит:
а) из подсчета элементов массива базовой величины удельного сопротивления Абаз, с2/м6, во всем диапазоне значений количества измерений т для исследуемого диаметра d, м, по известной формуле [8]
А = (0,0827 X У«?5; (1)
баз.т 4 7 т' ' 4 '
б) подсчета элементов массива опытной величины удельного сопротивления Аопыт, с2/м6, во всем диапазоне значений количества измерений т при расходе q, м3/с, и единичном напоре Н, м/м, по формуле
А = Н/q 2, (2)
опыт.т т 4 '
в) математического моделирования, т.е. определения условия равенства элементов массива А и А путем корректировки степени диаметра в фор-
баз.т опыт.т J 111 ^ хтх
муле (1) в диапазоне всех по формуле
X = [1п(0,0827 X ) / Н / q 2] / 1п?, (3)
т ^ \ у пг т л у у '
где X — уточненный показатель степени при диаметре ? в формуле (1);
3-й этап заключается:
а) в гидромеханическом моделировании по методике А.Д. Альтшуля на базе формулы Прандтля [9, 10], что выражается в подсчете элементов массива коэффициента эквивалентной шероховатости Кэрт, мкм, в диапазоне всех т по формуле
кэрт = ¿Юб/ю0'5/(0'и"- 0'57); (4)
б) подсчете величины реальной погрешности в расчетных Кэрт и измеренных профилометром Кэт величинах коэффициентов эквивалентной шероховатости АКт, %, по формуле
ДК = 100-|(К - К )/к |; (5)
т 14 эрт эт7 эрт" 4 '
в) выборе элемента массива с минимальной погрешностью ДКт (меньше допустимой ДР, %) и присвоении всем элементам т-строки (в т.ч. расчетной эквивалентной шероховатости Кэрт и степени <Х» при диаметре 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 Ап = ЛРП), где прослеживается трансформация гидравлических показателей при переходе от одного диаметра к другому.
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2013
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. На рисунке приведено диалоговое окно программы с входной информацией, а в таблице 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 АК < 5 %).
т '
Диалоговое окно с панелью управления
Расчетные значения коэффициента гидравлического трения X удельного сопротивления А трубопроводов для гаммы стандартных диаметров D по итогам гидромеханического моделирования и математических расчетов
Номер п.п. Внутренний диаметр трубопровода Dn, м 1 п (безразмерная) А , с2/м6 ГУ (при величине расхода в м3/с)
1 0,1 0,04976 416,951827
2 0,15 0,04277 47,085235
3 0,2 0,03867 10,085881
4 0,3 0,03383 1,159262
5 0,4 0,03092 0,251023
6 0,5 0,02891 0,076810
7 0,6 0,02742 0,029247
8 0,7 0,02624 0,012938
9 0,8 0,02528 0,006388
10 0,9 0,02448 0,003431
11 1,0 0,02379 0,001967
Окончание табл.
Номер п.п. Внутренний диаметр трубопровода D, м l п (безразмерная) А , с2/м6 ГУ (при величине расхода в м3/с)
12 1,2 0,02267 0,000753
13 1,4 0,02178 0,000334
14 1,6 0,02106 0,000166
В качестве базовой исходной информации для гидравлического расчета (см. рис. 1) вводятся сведения о названии трубопровода, его внутреннем диаметре, 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.
После подачи команды на распечатку графических зависимостей (из числа альтернативных: линейной, логарифмической, степенной и экспоненциальной) по максимальной величине сходимости К2 = 1 пользователем определяется, что величина удельного сопротивления для трубопровода соответствующего диаметра может подсчитываться 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.
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. М. : 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.
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
3. Алгоритм и автоматизированная программа оптимизации выбора метода бестраншейного восстановления напорных и безнапорных трубопроводов / С.П. Зоткин, В.А. Орлов, Е.В. Орлов, А.В. Малеева // Научное обозрение. 2011. № 4. С. 61—65.
4. Методика и автоматизированная программа определения коэффициента Шези «С» и относительной шероховатости «n» для безнапорных трубопроводов / Р.Е. Хургин, В.А. Орлов, С.П. Зоткин, А.В. Малеева // 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. М. : Энергия, 1972. 312 с.
7. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М. : Стройиздат, 1987. 414 с.
8. Шевелёв Ф.А., Шевелёв А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. М. : Стройиздат, 1984. 117 с.
9. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М. : Недра, 1970. 216 с.
10. Прозоров И.В., Николадзе Г.И., Минаев А.В. Гидравлика, водоснабжение и канализация городов. М. : Высш. шк., 1975. 422 с.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах: Орлов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, orlov950@yandex.ru;
Зоткин Сергей Петрович — кандидат технических наук, профессор кафедры информатики и прикладной математики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495) 953-36-35, spzotkin@mtu-net.ru;
Коблова Елена Викторовна — магистрант кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 516-96-88, ИпосЬка-viv@mail.ru.
Для цитирования: Орлов В.А., Зоткин С.П., Коблева Е.В. Математическое и информационное сопровождение гидравлических экспериментов на трубопроводах // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 214—219.
V.A. Orlov, S.P. Zotkin, E.V. Koblova
MATHEMATICAL AND INFORMATION SUPPORT OF HYDRAULIC EXPERIMENTS
AT PIPELINES
The article contains summarized results of the research into developed software programme capable of processing findings of hydraulic experiments held at pressure pipelines (protective coatings). The authors describe the algorithm of the analysis procedure, sequential analysis, mathematical and hydro-mechanical modeling of the process of transformation of hydraulic values. The authors provide their concept of the dialog box and description of input and output information, as well as functions of the software programme at intermediate stages of the hydraulic analysis. Basic input information supplied into the hydraulic analysis software programme includes the pipeline, its inner diameter, length, and acceptable roughness error.
Whenever a user presses the "display result" button, interim information is displayed on the screen and, if necessary, a set of output information is provided in the form of tables and graphs. The choice for the optimal solution is made on the basis of the mini-
mum margin of error between experimental and analytical values of the pipe roughness.
The findings may be useful to researchers involved in the study of hydraulic characteristics of pipelines made of various materials and to designers and builders engaged in renovation of sections of pipelines.
Key words: hydraulic experiment, pipeline, modeling, surface roughness, accuracy, software programme.
References
1. Khramenkov S.V. Strategiya modernizatsii vodoprovodnoy seti [Strategy for Modernization of a Water Supply Network]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2005, 398 p.
2. Orlov V.A., Orlov E.V., Pimenov A.V. Podkhody k vyboru ob"ekta renovatsii na truboprovodnoy seti, vosstanavlivaemoy polimernym rukavom [Approaches to the Choice of the Renovated Section of a Pipeline Restored by a Polymeric Sleeve]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 3, pp. 129—131.
3. Zotkin S.P., Orlov V.A., Orlov E.V., Maleeva A.V. Algoritm i avtomatizirovannaya programma optimizatsii vybora metoda bestransheynogo vosstanovleniya napornykh i bez-napornykh truboprovodov [Algorithm and Software Programme for Optimization of Choice for the Method of Trenchless Renovation of Pressure and Free-flow Pipelines]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2011, no. 4, pp. 61—65.
4. Khurgin R.E., Orlov V.A., Zotkin S.P., Maleeva A.V. Metodika i avtomatizirovannaya programma opredeleniya koeffitsienta Shezi «S» i otnositel'noy sherokhovatosti «n» dlya bez-napornykh truboprovodov [Methodology and Software Programme for Identification of Chezy Factor and Relative Roughness for Free-flow Pipelines]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2011, no. 4, pp. 54—60.
5. Orlov V.A., Maleeva A.V. Vodootvodyashchie truboprovodnye seti. Vybor ob"ekta renovatsii na baze ranzhirovaniya destabiliziruyushchikh faktorov [Water Discharge Pipeline Networks. Choice of an Item to Be Renovated on the Basis of the Ranking of Destabilizing Factors]. Tekhnologii Mira [World Technologies]. 2011, no. 1, pp. 31—34.
6. Kiselev P.G. Spravochnikpo gidravlicheskim raschetam [Reference Book of Hydraulic Analysis]. Moscow, Energiya Publ., 1972, 312 p.
7. Al'tshul' A.D., Zhivotovskiy L.S., Ivanov L.P. Gidravlika i aerodinamika [Hydraulics and Aerodynamics]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 414 p.
8. Shevelev F.A., Shevelev A.F. Tablitsy dlya gidravlicheskogo rascheta vodoprovodnykh trub. [Tables for Hydraulic Analysis of Water Supply Pipelines]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1984, 117 p.
9. Al'tshul' A.D. Gidravlicheskie soprotivleniya [Hydraulic Resistances]. Moscow, Nedra Publ., 1970, 216 p.
10. Prozorov I.V., Nikoladze G.I., Minaev A.V. Gidravlika, vodosnabzhenie i kanalizatsiya gorodov. [Hydraulics, Water Supply and Urban Sewage]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1975, 422 p.
About the authors: Orlov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; orlov950@yandex. ru; +7 (499) 183-36-29;
Zotkin Sergey Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Informatics and Applied Mathematics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; spzotkin@mtu-net. ru; +7 (495) 953-36-35;
Koblova Elena Viktorovna — postgraduate student; Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; linochka-viv@mail.ru; +7 (495) 516-96-88.
For citation: Zharov Ya.V. Orlov V.A., Zotkin S.P., Kobleva E.V. Matematicheskoe i informatsionnoe soprovozhdenie gidravlicheskikh eksperimentov na truboprovodakh [Mathematical and Information Support of Hydraulic Experiments at Pipelines]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 214—219.
