CC BY
30
Экономика, управление и организация строительства
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЛОГИСТИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 628.14
В.А. Орлов, С.П. Зоткин, Е.В. Орлов, Р.Е. Хургин, А.В. Малеева
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПРОГРАММЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШЕЗИ С И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ n ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ БЕЗНАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Представлены методика автоматизированной обработки результатов гидравлических исследований безнапорных трубопроводов и руководство пользователя автоматизированной программой.
Ключевые слова: методика, алгоритм, автоматизированная программа, гидравлические параметры, трубопроводы безнапорные, руководство пользователя.
Методика предназначена для автоматизированной обработки экспериментальных данных, полученных на гидравлическом стенде при исследовании безнапорного режима течения жидкости (воды), получения математических зависимостей изменения гидравлических показателей и построения графических зависимостей, характеризующих самотечный режим течения в зависимости от степени шероховатости трубопроводов, выполненных из различных материалов [1].
Методика заключается в реализации нескольких последовательных этапов.
1. Определение потерь напора по длине h и коэффициента гидравлического трения X.
Базовой зависимостью является формула Дарси — Вейсбаха (1)
ll v
(1)
h =--,
4Я 2 §
где X — коэффициент гидравлического трения; § — ускорение свободного падения, м/с2; Я — гидравлический радиус, м; V — скорость течения жидкости, м/с; I — длина экспериментального участка (в проводимых экспериментах длина составляла 10 м).
В свою очередь величина h является разницей в показаниях пьезометров, т.е. между первым по ходу течения Пьез1 и вторым Пьез2 с учетом перепада высот Д^' по формуле (2)
h = Пьез1 - Пьез2 + Д^. (2)
2. Расчет значений среднего скоростного напора производится по формуле (3)
/ 5 \
Гу 2
2g
(v2) {V2)
+
W 1 UJ 2 _
ср
(3)
Здесь показания на трубках Пито в начале и в конце экспериментального участка обозначаются соответственно как Пито и Пито2.
3. Расчет значения коэффициента гидравлического трения X осуществляется путем преобразования базовой формулы (1) и формулы (2) с учетом реальной длины I = 10 м в (4)
© Орлов В.А., Зоткин С П., Орлов Е.В., Хургин РЕ., Малеева А.В., 2012
205
вестник
3/2012
V
f
Пито, -II bei, +Пито2 -Пьез
Пьез! -Пьез2 + А/г'
\
Значения гидравлического радиуса Я принимаются в м, а значения показаний на пьезометрах и трубках Пито в см.
4. Расчет значений величин средних наполнений в начале и конце экспериментального участка, а также гидравлического радиуса Яср производится с учетом показаний на пьезометрах по формулам (5) и (6), где в частности формула (6) связывает величину гидравлического радиуса и наполнения по известному графику зависимости «рыбка» Я = ДЛ/йО
Значения гидравлического радиуса принимаются в м (для этого введен переводной коэффициент 0,01), а значения показаний на пьезометрах в см.
5. Расчет значения коэффициента Шези С производится по формуле (7)
Размерность коэффициента Шези С — м05/с.
Алгоритм автоматизированной программы предусматривает построение двух типов графических зависимостей С = fR) и С = f(i) для широкого диапазона уклонов.
Также алгоритмом предусматривается вычисление коэффициента относительной шероховатости «n» на основе сравнения полученных в результате опыта и распространенных в практике проектирования сетей формул Маннинга и Н.Н. Павловского для определения величины коэффициента Шези С: по Маннингу: С = R0 1667 / n; по Павловскому: С = Ry / n, где y=2,5(n)0,5 - 0,13 - 0,75R°,5(n°,5 - 0,1).
При этом сущность операций по нахождению коэффициента относительной шероховатости n сводится к приравниванию значений коэффициентов Шези С из опыта и полученных по формулам Маннинга и Н.Н. Павловского при соответствующих расчетных наполнениях и получению расчетным путем значений относительной шероховатости.
При расчете коэффициента шероховатости n в автоматизированном режиме должны производиться следующие операции:
выбор пользователем из числа представленных оптимальной зависимости С=ДR), например, степенной зависимости С=64,766К1 7572, и обработки ее на предмет соответствия известным формулам Маннинга и Н.Н. Павловского;
решение в автоматизированном режиме двух уравнений относительно n:
по Маннингу: 64,766R17572 = R0 1667 / n,
тогда n = R0-1667 / 64,766R1-7572;
по Павловскому Н.Н.: 64,766R17572 = Ry / n,
где y=2,5(n)0,5 - 0,13 - 0,75R0•5(n0•5 - 0,1),
тогда n = Ry / 64,766R1'7572.
Как следует из последнего уравнения, формула с использованием зависимости по Н.Н. Павловскому трансцендентна, т.е. n присутствует в правой и левой частях уравнения. Для нахождения n в автоматизированной программе используется стандартная операция численного метода половинного деления.
(5)
(6)
(7)
Информационные системы и логистика в строительстве
Разработанная автоматизированная программа, имеющая условное название GydroП, предназначена для получения полной и исчерпывающей информации по гидравлическим параметрам для соответствующего трубопровода (защитного покрытия) по материалам стендовых экспериментальных исследований, проводящихся в лаборатории кафедры водоснабжения МГСУ на безнапорных трубопроводах.
В задачи автоматизированной программы входит также построение в автоматизированном режиме графиков (кривых), описывающих определенные зависимости (линейную, степенную, логарифмическую и экспоненциальную), в частности, коэффициента Шези С от гидравлического радиуса С=/(Я) и уклона С=Д/).
Программа построена таким образом, чтобы являться своеобразным каталогом (базой данных) всех экспериментов, проводившихся на универсальном гидравлическом стенде МГСУ по изучению гидравлических свойств безнапорных трубопроводов (защитных покрытий) из различных материалов, используемых в случае бестраншейной реновации ветхих самотечных сетей систем водоотведения [2].
При выводе на дисплей автоматизированная программа включает в качестве базовой информации четыре вкладки, практически соответствующие четырем диалоговым окнам (рис. 1—4) со строками управления, находящимися в нижней части выходных форм по распечатке выходной формы и графического материала.
Диалоговые окна программы расположены в определенной последовательности: первое диалоговое окно — «Условия эксперимента» (рис. 1); второе диалоговое окно — «Опытные данные» (рис. 2); третье диалоговое окно — «Выходная форма» (рис. 3);
четвертое диалоговое окно — «Выходная форма» с малым окном выбора коэффициентов в стандартных математических зависимостях (рис. 4).
Рис. 1. Вкладка «Условия эксперимента» Рис. 2. Вкладка «Опытные данные»
Рис. 3. Вкладка «Выходная форма» Рис. 4. Вкладка «Выходная форма» с малым
окном
вестник 3/2012
Последовательность работы с программой.
1. Запуск программы осуществляется с помощью файла Gydro11.exe, в результате чего появляется общий вид с информацией по первой вкладке «Условия эксперимента» (см. рис. 1). Здесь высвечивается каталог с уже имеющимися исходными и расчетными данными, полученными в результате обработки предшествующей информации, закодированной соответствующим номером (1, 2, 3 и т.д.) для соответствующего безнапорного трубопровода (защитного покрытия).
Если объект (труба или покрытие) является новым (т.е. не исследованным на стенде), то для фиксации объекта в качестве исследовательского после нажатия кнопки «Добавить» ему автоматически присваивается следующий свободный номер, являющийся персональным кодовым для данной трубы (покрытия). Затем вносятся соответствующие данные по «Условию проведения» экспериментов (названию трубы), внутреннему диаметру трубопровода и длине экспериментального участка. Для сохранения введенной информации нажимается кнопка «Сохранить». После этого дальнейшая работа будет проводиться под присвоенным кодовым персональным номером, например, 2. Труба полипропиленовая (см. рис. 1). В случае какой-либо ошибки при наборе или отказа от работы нажимается кнопка «Отменить», в результате чего вся информация с соответствующим кодом будет изъята.
2. При нажатии на кнопку второго вкладыша «Опытные данные» (см. рис. 2) построчно вносится исходная информация по уклону, расходу, показаниям пьезометров и трубок Пито.
Для этого сначала необходимо внизу экрана поставить метку «Включить режим правки». При необходимости добавления строки нажимается кнопка «Добавить», а для удаления данных из строки — «Удалить». Если возникает необходимость в ускорении процесса набивки исходной информации в последующих строках, то ставятся соответствующие метки «Н начальное и конечное» и /или «Н начальное и конечное».
^ пьезо Пито
После заполнения информации режим правки отключается путем стирания метки «Включить режим правки».
3. При нажатии на кнопку третьей вкладки «Выходная форма» (см. рис. 3) появляется таблица, где представлена вся исходная и расчетная информация в пределах проведенного эксперимента с персональным кодовым номером.
Под таблицей расположены строки с кнопками «Построить 1-С графики в MS Ехе1», «Построить Я-С графики в MS Ехе1», «Расчет коэффициента шероховатости по Маннингу и по Павловскому» с обнуленными предварительными значениями. Справа от окошек расположена красная кнопка с восклицательным знаком ! , «Среднее значение С», а в правом нижнем углу кнопка «Распечатать выходную форму» (см. рис. 3), при нажатии на которую на экран выносится и при необходимости распечатывается вся исходная и расчетная информация.
Также по запросу пользователя при нажатии на кнопки «Построить 1-С графики в MS Ехе1» или «Построить Я-С графики в MS Ехе1» появляются четыре типа кривых, которые подлежат анализу.
4. Для получения расчетных значений коэффициентов шероховатости п по Маннингу или Павловскому для исследуемого трубопровода (защитного покрытия) нажимается кнопка ! и на экране дисплея непосредственно на поле «Выходной формы» появляется дополнительное малое окно для выбора коэффициентов а и Ь в формулах линейной, логарифмической, степенной и экспоненциальной зависимостей (см. рис. 4).
Как отмечалось выше, выбор той или иной зависимости осуществляется пользователем вручную на основе принятия той зависимости, для которой степень сходимости Я2 максимальна. После внесения информации по коэффициентам а и Ь нажимается кнопка «Выполнить расчет» и на экране дисплея вновь появляется «Выходная форма»,
Информационные системы и логистика в строительстве
но уже с не обнуленными, а конкретными расчетными значениями n по Маннингу и Павловскому.
Краткие выводы. Описанная выше методика и автоматизированная программа расчета коэффициентов Шези С и относительной шероховатости n открывает возможности пользователю в оперативном режиме получить всю необходимую информацию по гидравлическим параметрам альтернативных трубопроводов из новых материалов или новых защитных покрытий. Обладая подобной информацией, проектировщик оптимизирует выбор соответствующего ремонтного материала на базе оценки степени гидравлической совместимости старых и восстанавливаемых участков водоотводящей сети.
Библиографический список
1. Храменков С.В., Орлов В.А., Харькин В.А. Оптимизация восстановления водоотводящих сетей М. : Стройиздат, 2002. 159 с.
2. Орлов В.А., Харькин В.А. Стратегия и методы восстановления подземных трубопроводов М. : Стройиздат, 2001. 95 с.
Поступила в редакцию в январе 2012 г.
Об авторах: Орлов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Зоткин Сергей Петрович — кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики и информатики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Орлов Евгений Владимирович — кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Хургин Роман Ефимович — старший преподаватель кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Малеева Анна Владимировна — магистрант кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Разработка методики и автоматизированной программы определения коэффициента шези C и относительной шероховатости n для исследований безнапорных трубопроводов / В.А. Орлов, С.П. Зоткин, Е.В Орлов, Р.Е. Хургин, А.В. Малеева // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 205—210.
V.A. Orlov, S.P. Zotkin, E.V. Orlov, R.E. Khurgin, A.V. Maleeva
METHODOLOGY AND SOFTWARE DESIGNATED FOR THE CALCULATION OF VALUES OF CHEZY DISCHARGE COEFFICIENT C AND RELATIVE ROUGHNESS COEFFICIENT n WITHIN THE FRAMWEWORK OF RESEARCH OF FREE-FLOW PIPELINES
The article represents a brief overview of the software programme designated for computer-aided calculation of values of the Chezy discharge coefficient. Recommendations are also provided to users of the proposed software. The proposed methodology is designated for the automated processing of the experimental data obtained in the course of the research of free water flows passing through the hydraulic test rig. The methodology is also designated for the identification of the mathematical relation describing the alteration of hydraulic exponents and for the construction of graphs to illustrate the relations describing the free flow inside pipelines, if made of different types of materials that display varied roughness values.
The proposed methodology represents a set of successive stages to be implemented.
becthmk 3/2012
Stage 1. Identification of pressure loss, if the pipeline length is equal to h, and the hydraulic friction coefficient is equal to A.
Stage 2. Calculation of the average flow strength. Stage 3. Calculation of hydraulic friction coefficient A.
Stage 4. Calculation of average filling value h/dave in the beginning and in the end of the experimental section of the water flow; calculation of hydraulic radius Rave. Stage 5. Calculation of C, Chezy discharge coefficient.
The following steps are to be performed to calculate coefficient of roughness n: Selection of optimal relation C=f(R) from the multiplicity of proposed relations; Solving the two equations in relation to n.
The proposed software employs the half-interval method to identify the value of n. The software is also capable of generating graphs (curves) to describe the relations in question.
The proposed methodology and the software designated for the calculation of Chezy and roughness coefficients makes it possible for users to identify the hydraulic properties of pipelines made of advanced materials or having advanced coatings. The availability of the above information is to optimize the selection of the pipeline repair material on the basis of the assessment of hydraulic compatibility between the sections of the pipeline in operation and those being repaired.
Key words: methodology, algorithm, software program, hydraulic properties, free-flow pipelines, user guidance.
References
1. Khramenkov S.V., Orlov V.A., Khar'kin V.A. Optimizatsiya vosstanovleniya vodootvodyashchikh setey [Optimization of Repair of Water Disposal Networks]. Moscow, Stroyizdat, 2002, 159 p.
2. Orlov V.A., Khar'kin V.A. Strategiya i metody vosstanovleniya podzemnykh truboprovodov [Strategy and Methods of Repair of Underground Pipelines]. Stroyizdat, 2001, 95 p.
About the authors: Orlov Vladimir Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia; [email protected]; 8 (917) 538-43-16;
Zotkin Sergey Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Applied Mathematics and Information Science; Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia; [email protected]; 8 (916) 868-34-48;
Orlov Evgeniy Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia; [email protected]; 8 (926) 373-90-18,
Khurgin Roman Efimovich — Senior Lecturer, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia; [email protected]; 8 (910) 423-87-93;
Maleeva Anna Vladimirovna — master student, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia; anuta_ [email protected]; 8 (915) 137-78-46.
For citation Orlov V.A., Zotkin S.P, Orlov E.V., Khurgin R.E., Maleeva A.V. Razrabotka metodiki i avtomatizirovannoy programmy opredeleniya koeffitsienta Chezi C i otnositel'noy sherokhovatosti n dlya issledovaniy beznapornykh truboprovodov [Methodology and Software Designated for the Calculation of Values of Chezy Discharge Coefficient C and Relative Roughness Coefficient n as part of Research of Free-Flow Pipelines]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 205—210.
