CC BY
20
Осевое усилие закрепленных на концах эластичных напорных рукавов под влиянием течения воды Корнев В. А.1, Пирогов Ю. Н.2
КорневВиталий Анатольевич /Kornev VitalyAnatol'evich - кандидат химических наук, доцент,
старший научный сотрудник; 2Пирогов Юрий Никитич /Pirogov Yuri Nikitich - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, 23 отдел, Федеральное автономное учреждение 25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Минобороны России,
г. Москва
Аннотация: проведен расчет коэффициента лобового сопротивления, силы лобового давления при погружении в воду напорного рукава поперек течения. Показаны особенности обтекания тела цилиндрической формы водным потоком. Рассчитана величина распора напорного рукава как гибкой провисающей нити. Показана возможность использования данного подхода для оценки осевого усилия напорного рукава при поперечном воздействии потока воды.
Ключевые слова: гибкая нить, распор, эластичные напорные рукава, трубопроводы, миделево сечение, коэффициент лобового сопротивления, сила лобового давления.
Основы расчетов и конструирования трубопроводов с использованием положений теории и практики провисающих гибких нитей в воздушной среде были популярны в 60-х годах и сохраняют актуальность в настоящее время.
Гибкая провисающая нить представляет собой геометрически изменяемую систему с большим числом степеней свободы, работающую на растяжение, но способную воспринимать внешнюю нагрузку при надлежащем закреплении концов [1-3].
Рис. 1. Закрепленная в точках А и В нить под действием равномерно распределенной нагрузки
Если нагрузка равномерно распределена по проекции нити (p = const) и известна или задана стрела провеса нити f в середине пролета (рис. 1), то величина распора:
Н = Р12 / 8f (1)
При заправке кораблей топливом и маслами не с танкеров, а с берега или с плавучих рейдовых причалов по полимерным гибким трубопроводам на расстояния до 1 км и более актуальна также задача расчета перспективных гибких напорных рукавов [4-6], передающих топливо, по поверхности морской или речной воды (рис. 2). По этой же (встречной) схеме танкер может перекачивать нефтепродукты на удаленный берег или корабль. Видно (рис. 2), что под действием усилия морских или речных течений,
которое максимально на поверхности воды, рукав дугообразно изгибается, принимая форму, близкую к квадратичной параболе (рис. 1), только не в вертикальной, а в горизонтальной плоскости. Поэтому при расчете осевых усилий в рукаве (распор) можно использовать формулу (1) для гибкой нити, предварительно определив силу давления воды на поверхность напорного рукава цилиндрической формы.
При симметричном обтекании тела потоком водной (или воздушной) среды сила лобового давления среды на поверхность тела зависит от площади миделевого (среднего) сечения - площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения потока, удельного веса среды, квадрата скорости движения среды:
Р = Сх 8 (р V2 / 2) (2)
Рис. 2. Плавучий рейдовый причал заправки и разгрузки кораблей: 1 - якорные крепления; 2 - пригрузка; 3 - соединительный узел гибких шлангов;
4 - гибкий шланг, соединяющий буй с подводным нефтепроводом; 5 - буй (поплавок);
6 - шланг, соединяющий буй с кораблем; 7 - корабль
На рисунке 3 показана схема обтекания цилиндра вязкой жидкостью. В точках поверхности С и С' тела сферической обтекаемой формы скорость жидкости больше, чем в невозмущенном потоке, поэтому давление здесь понижается. Создается разность давлений, под действием которой жидкость в пограничном слое направлена от А к С и С' (по направлению потока) и от А' к С и С' (против потока).
Такие встречные потоки сталкиваются друг с другом у точек С и С'. Образуется некий пограничный слой с выступом, у которого потоки закручиваются. Таким образом, создаются вихри, которые отрываются от поверхности тела и уносятся (рис. 3). Перемешивание вихрей с окружающей жидкостью образует позади тела расширяющуюся турбулентную зону, или вихревую пелену.
Рис. 3. Схема движения потока жидкости при обтекании цилиндра В формуле (2):
(р V2 / 2) - гидродинамическое давление; р = 1030 кг/м3 - плотность морской воды;
V = 5 км/ч = 1,4 м/с - скорость течения.
(р V2 / 2) = 1009,4 кг/м2с = 1009,4 Па = 0,01 кгс/см2.
8 - Миделево сечение (зависит от диаметра и длины напорных рукавов).
Для рукавов Ду 100 мм, Ду 150 мм длиной 200 м:
8юо ~ 0,11 ■ 200 = 22 м2 = 220000 см2;
8150 ~ 0,16 ■ 200 = 32 м2 = 320000 см2.
Сх - коэффициент лобового сопротивления;
С зависит от числа Рейнольдса, то есть Сх = f (Яе).
Яе = V Б / V.
Б - внешний диаметр напорного рукава цилиндрической формы;
V - коэффициент кинематической вязкости воды; ц - коэффициент динамической вязкости воды; ц = 1,0019 - 10-3 Па с (при г = 20°С);
ц = 1,7865 - 10-3 Па с (при г = 0°С); ц = 0,6540 - 10-3 Па с (при г = 40°С);
V = ц / р.
V = 1,006 - 10-6 м2/с (при г = 20°С);
V = 1,789 - 10-6 м2/с (при г = 0°С);
V = 0,659 - 10-6 м2/с (при г = 40°С). Для воды при 20°С.
^100 =
Яе100 = V Б / V = 1,4 - 0,11 / 1,006 - 10-6 = 0,153 - 106 = 1,53 - 105
Яе150 = V Б / V = 1,4 - 0,16 / 1,006 - 10-6 = 0,223 - 106 = 2,23 - 105. Для больших чисел Рейнольдса (рис. 4) коэффициент лобового сопротивления Сх = 1,2 [8, 9].
Дис*
Ю-ÜB-GS-ОЛ-
GZ-
Рис. 4. Зависимость коэффициента лобового сопротивления от чисел Рейнольдса
С = 1,2 для напорных рукавов Ду 100 и Ду 150.
Далее по формуле (2) можно рассчитать усилие воздействия течения воды на напорный рукав при различных скоростях потока, а по формуле (1) величину распора.
Сопоставив полученные значения с нормируемыми показателями, можно сделать вывод о способности напорных рукавов выдерживать осевую нагрузку и работоспособности при конкретных заданных условиях эксплуатации (расстояние от берега, стрела провеса, шероховатость поверхности рукава, окружающая температура).
1. Тартаковский Г. А. Новая система сооружения трубопроводов в виде провисающих нитей (теория, расчет, проектирование). М.: Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1961. 164 с.
2. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический / под ред. д-ра техн. наук, проф. А. А. Уманского. М.: «Стройиздат», 1960. С. 321-327.
3. Корнев В. А. Аналитический расчет напорных рукавов методом гибкой нити // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 30 (72). С. 22-26.
4. Волков О. Е., Корнев В. А., Колесников А. А. Перспективные рукава для технических средств перекачки горючего // Наука, техника и образование, 2015. № 7 (13). С. 8-13.
5. Волков О. Е., Рыбаков Ю. Н., Корнев В. А., Кюннап Р. И. Теоретическое моделирование гидравлических систем методом электрических аналогий // International scientific review, 2015. № 8 (9). С. 28-30.
6. Корнев В. А. Современные технические средства нефтепродуктообеспечения из полимерных материалов / В. А. Корнев, Ю. Н. Рыбаков // «Вопросы современной науки»: коллект. науч. монография [под ред. Н. Р. Красовской] М.: Изд. Интернаука, 2015. Том 2. Глава 2. С. 29-47.
7. Табличные значения динамической вязкости воды / РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, кафедра Нефтегезовой и подземной гидромеханики. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ars.gubkin.ru/ (дата обращения: 27.10.2016).
8. Гиргидов А. Д. О лобовом сопротивлении движению цилиндра // Инженерно -строительный журнал, 2011. № 1. С. 9-11.
9. Иванов С. А. Газовая динамика. Лобовое сопротивление движению тел в жидкостях и газах // Лабораторный практикум. Самарский государственный технический университет, 2014. С. 4-17.
Литература
