CC BY
19
Влияние кавитационных процессов на распространение акустической волны внутри магистрального водопровода
В.А. Зибров, С.А. Тряпичкин, О.В. Соколовская
Возникающие экологические проблемы и требования потребителей водных ресурсов, стали существенно влиять на развитие систем водоснабжения и соответственно повышения уровня предоставляемых услуг жилищно-коммунальным хозяйством. При этом стремительно развиваются передовые технологии систем водоснабжения и водоотведения, контрольно-измерительная аппаратура и инфокоммуникационные технологии.
В работах [1,2,3] рассмотрены вопросы организации акустического канала передачи информации (АКПИ) в магистральных водопроводных сетях.
Целью статьи является определение влияния кавитационных процессов в водопроводной трубе, полностью заполненной водой, на распространение «плоской» волны.
При изменении поперечного сечения трубы (задвижка, вентиль и т.п.) возникают кавитационные процессы, оказывающие влияние на потери переданной акустической волны, т.к. поглощают, отражают, и повторно излучают звуковую энергию [5,6,7,8,9,10]. На рис. 1 приведена зависимость резонансной частоты кавитационного пузыря от длины трубы [4].
Рис. 1. - Зависимость резонансной частоты кавитационного пузыря
от длины трубы
Рассмотрим источник акустического сигнала с координатами (г0,в0, х0) и
приёмник акустической волны с координатами (г,в,х1), расположенные внутри водопроводной трубы, полностью заполненной водой, на участке которой уменьшен диаметр (рис. 2).
Рис. 2. - Воздействие кавитационных процессов на участке трубы Для определения акустического давления вызванного вибрацией на участке трубы справедливы утверждения, приведенные в работах [1,2,3]:
р(Гк л, х, )/ к
Jn (ПптГк )РОЪ(пвк ) ^_гГпт\хк2-Хк1|
еЯ/
п=0 т=1 ( ( п \2 1 - — V П пт у
^п (ппт )
где Я - радиус трубы; упт - осевое волновое число; ппт - радиальное волновое число; /(ак) - функция сигнала кавитации, выраженная в
частотной области; р - плотность воды; е - скорость звука в воде;
J„
функция Бесселя первого рода; гк,вк,хк - координаты источника кавитации; |хк2 - хк1| - интервал распространения кавитационных процессов; п, т -
осевые и радиальные моды.
Акустическое давление на входе приёмника акустической волны:
р(г,в, х„®)/ (®)ХЕ
'1п (ПптГ0 ) СО8(п в0 )'1п (ПптГ) СО§(п в)
еЯ2
п=0 т=1
( ( \2 1 -1-п'
V П пт У
2
ег « + р(гк л, Хк ,ак).
Jп (ппт )
Для «плоской» волны уравнение акустического давления примет вид:
р(г,в,х„т) = -Р[/(®)е ^ + /(тв)е2-Хк11].
еЯ2 1 *
зо з
2
Проведём расчёт акустического давления, распространяемого внутри магистральной водопроводной напорной трубы из полиэтилена (ГОСТ 18599-2001, ТУ 2248-016-40270293-2002, рабочее давление 1,0МПа, диаметр 200мм, толщина 14,7мм), с помощью интерактивной системы Ма1;ЬаЬ.
Координаты источника акустического сигнала (г° = 0, = 5 , х° = 0 м);
координаты приёмника акустической волны (г = °,5R, ^ = 5 , х = 400 м); плотность воды 1000кг/м ; скорость звука в воде 1500м/с, частота
ультразвукового импульса =55кГц, длительность 200мс. Интервал воздействия вибрации от хк1 = 100 м до хк 2 = 300 м. На рис. 3 приведена форма и спектр сигнала кавитации. Временные области распространения акустического давления, приведены на рис. 4.
2 0.2 <
Кавитация
Спектр
0 200 400 600 800 1000 1200
Время (мс)
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Частота (Гц)
а)
б)
Рис. 3. - Форма сигнала кавитации (а) и его спектр (б)
Область распространения акустического давления расстояние до приёмника 400м
800
Время(мс)
0.8
0.6
0.4
80
60
40
-0.2
20
X 10
2 —
Область распространения акустического давления расстояние до приёмника 400м
1
0.8 0.6
к
0.4
аз 0.2
а
(0 0
0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
Область распространения акустического давления расстояние до приёмника 400м
утли -0.
илп -0.
пм
<
0
Время(мс)
Рис. 4. - Области распространения акустического давления, при воздействии
кавитации
Как видно из рис. 4, область распространения кавитационных процессов, не вносит существенных искажений в форму «плоской» волны и более высоких мод. Однако амплитуда «плоской» волны, в сравнении с амплитудами мод высоких порядков, ослаблена в 2,5 раза.
Таким образом, кавитационные процессы, возникающие за счет влияния структурных компонентов водопроводных сетей (вентили, распорки и т.п.) вносят в поток периодические колебания, которые уменьшают энергию распространяемого акустического давления внутри трубы и увеличивать многолучевое распространение волн. Поэтому, при организации акустического канала передачи информации в магистральном водопроводе, заполненном водой, необходимо применять качественные ультразвуковые датчики (гидрофоны) с фильтром для выделения «плоской» волны из принятых импульсов.
Улучшение основных тактико-технических показателей ультразвуковой аппаратуры возможно за счет применения сложных акустических сигналов и их корреляционной обработкой и использованием параметрических
х 10
мода (1,0)
Время(мс)
х 10
эффектов. Важно также учитывать принцип модульности и компактности, что необходимо для оперативной сборки нужных конфигураций аппаратуры, в том числе в условиях ограничения дополнительной мощности источника питания.
Литература:
1. Тарасов С.П, Зибров, В.А. Организация акустического канала передачи данных в продуктопроводе [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Экология 2011 - море и человек, 2011. -№9(122). - С.57-62.
2. Зибров В.А. Ультразвуковая технология мониторинга продуктопровода [Текст] // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011», 2011. - Вып. 4. - т.9. - С.61-65.
3. Сапронов А.А, Зибров В.А., Занина И.А., Соколовская О.В. Исследование процесса передачи информации по акустическому каналу в водопроводе [Текст] // Энергосбережение и водоподготовка, 2012. - №4. -С.52-54.
4. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Тряпичкин, С.А. Распределение акустической волны в подземном трубопроводе [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа:, http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1458 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.
5. А.А. Сапронов, В.А. Зибров, О.В. Соколовская Распространение акустической волны в замкнутой структуре водопровода на границе раздела сред [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал. Инженерный вестник Дона, 2012. - №4 (часть 2). - Режим доступа:, http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1430 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.
6. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия [Текст]. - М.: ГП ЦПП, 1996. - 44с.
7. СНиП 2.04.12-86. Расчет на прочность стальных трубопроводов [Текст]. - М.: ГП ЦПП, 1986. - 18с.
8. ANSI/ASME B31.1-2010. ASME code for pressure piping, B31. Power piping. - NY, 2010. - 350p.
9. Thompson, M. Noise generation by water pipe leaks / M. Thompson, D.J. Allwright, C.J. Chapman, S.D. Howison, J.R. Ockendon // Study report of 40th European Study group with industry, 2001.
10. Пирсол, И. Кавитация [Текст] / И. Пирсол. - М.: Мир, 1975. - 95с.
