CC BY
41
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И
Том VII
197 6
№ 5
УДК 532.542.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРУБ С ВИНТОВЫМ ГОФРОМ
Приведены результаты экспериментального исследования аэродинамического сопротивления труб с винтовым гофром в диапазоне изменения чисел = 8- 105-г-1 • 10*. Показано, что коэффициент сопротивления таких труб мало отличается от коэффициента для гладких труб.
В связи с ростом протяженности и производительности газопроводов возникла необходимость в создании трубопроводов с повышенной надежностью. Это требование весьма существенно при эксплуатации трубопроводов в неблагоприятных климатических условиях, когда колебания окружающей температуры достигают нескольких десятков градусов. В Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР разработана новая форма трубопроводов с самоком-пенсацией продольных деформаций за счет введения в конструкцию труб непрерывных компенсаторов — винтовых гофров [1].
В ЦАГИ были проведены исследования аэродинамического сопротивления и скоса потока таких самокомпенсирующихся труб. Опытный образец представлял собой трубу с винтовым гофром диаметром 325 мм, длиной 100 калибров,
глубиной круглого гофра 12 мм, углом наклона гофра к оси трубы 30° и толщиной стенки 1,2 мм (фиг. 1).
Испытанную трубу можно отнести к разряду труб с искусственно созданной шероховатостью стенок. В настоящее время имеется ряд работ по исследованию аэродинамики каналов с искусственной шероховатостью. Экспериментальные данные для различных форм шероховатости каналов (резьбы, накатки,
Л. Л. Искра, Л. К. Радионова
Фиг.
вставки, кольца), полученные в работе [2], показывают достаточно сложный характер течения вдоль шероховатых стенок. В работе [3] исследованы круговой и винтовой гофры, но с отличной от рассматриваемой нами частотой их расположения.
Было отмечено, что винтовой гофр не оказывает принципиального влияния на величину аэродинамического сопротивления по сравнению с круговым гофром. В работе [4] исследована структура потока в отдельном уступе и полости и определена величина сопротивления отдельного уступа. Согласно этой работе, полость заполнена вихрями, которые не оказывают заметного влияния на внешнее течение.
Настоящие экспериментальные исследования показали, что аэродинамическое сопротивление предложенной конструкции трубы с винтовым гофром в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Яеа = 8- 10а -5-1 • 107) незначительно отличается от сопротивления гладкой цельнотянутой трубы с относительной шероховатостью £ 0,0001.
Исследования проводились на экспериментальной установке, которая состояла из форкамеры с регулируемой задвижкой, хонейкомбом и сеткой, коллектора, исследуемой трубы и решеток для создания подпора. Форкамера представляла
Фиг. 2
собой цилиндрическую трубу диаметром 650 мм, коллектор был образован двумя дугами окружности. Для поддержания заданной скорости в рабочем тракте использовалась одна из четырех решеток, устанавливаемых на выходе из установки. Площадь проходных сечений решеток, отнесенная к площади испытуемой трубы, составляла ^щ/^= 0,1; 0,2; 0,3; 0,4. Расход воздуха через трубу изменялся от 4 до 50 кг/с, диапазон изменения чисел Рейнольдса, отнесенных к диаметру трубы (а! = 325 мм), составлял Ие<* = 8-105-ь 1 • 107.
Давление в форкамере измерялось насадком полного давления, соединенным с образцовым манометром. По длине трубы измерялось статическое давление в 18 точках с помощью 1_1-образных жидкостных манометров. Для определения профиля скорости и ее направления применялся трехточечный приемник, который перемещался по радиусу трубы с помощью координатника. Приемник давления представлял собой хорошо обтекаемое тело, укрепленное на державке и имеющее в сечении симметричный профиль, напоминающий форму чечевицы. На кромке чечевицы имелись три приемных отверстия, расположенных по радиусу под углом 45° друг к другу. Направление скорости потока (а) определялось по градуировочной характеристике приемника.
Коэффициент аэродинамического сопротивления I вычислялся по формуле
г _
2 а
где Др— перепад давления на участке трубы длиной I; рУ2/2 — скоростной напор на начальном участке трубы.
Полученные экспериментальные значения коэффициента С в зависимости от числа Яе^ даны на фиг. 2. Там же сплошной кривой показаны результаты расчета значения С для гладкой трубы по формуле Никурадзе (см. [5])
0,221
С = 0,0032 + ■
1*е
0,237
У
г
1°
-0,8
' ¥ Ofi 0,2
l/d=JOO~, Red = ^6-10 6
• • і
•• • Л
• •
• •
« 1
I
г
0,8
0,6
о,ь
0,2
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 гr/Vmax
Фиг. 3
0%
о О ои 3
° ( О О •
о * • о*
3. • l/d -50 о JOO
і г ~о _
Фиг. 4
При С = const можно найти осредненное значение относительной шероховатости е по формуле Никурадзе для шероховатых труб (см. [5])
' = 1,74 + 2 lg -1 .
Для испытанной трубы при С = 0,01 получим в з; 0,0001.
Измеренные профили скорости потока в выходном сечении трубы соответствуют течению с развитым турбулентным пограничным слоем (фиг. 3).
Закрутка потока винтовыми гофрами наблюдается только у стенки трубы и составляет примерно 5° в среднем сечении трубы (ЦЛ = 50) (фиг. 4). В выходном сечении трубы Щ& = 100) величина закрутки уменьшается до 3°, что обусловлено, по-видимому, ростом толщины пограничного слоя.
При расчете сопротивления гофрированных труб рассматриваемой формы необходимо учитывать увеличение коэффициента сопротивления из-за роста шероховатости стенок трубы со временем. Так, после двух — трех лет эксплуатации шероховатость может возрасти примерно в 5 раз, что приведет к увеличению коэффициента сопротивления примерно в 1,5 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Раевский Г. В., Лось А. О. Новые конструкции труб для работы при значительных колебаниях температур. Информационное письмо ИЭС им. Е. О. Патона, 1974, № 42 (879).
2. Миллионщиков М. Д. и др. Исследования полей скоростей и коэффициентов гидравлического сопротивления в трубах с искусственной шероховатостью стенок. Препринт ФЭИ-385 (Обнинск), 1973.
3. К a u d е г К. Str6mung- und Widerstandsverhalten in gewelten Roh-ren. Dissert, von Dipl.-lng. (Hannover). 1971.
4. Чжен П. Отрывные течения, т. 2, М., „Мир". 1973.
5. Никурадзе И. Закономерности турбулентного движения в гладких трубах. В сб. „Проблемы турбулентности". М.—Л., ОНТИ. 1936.
Рукопись поступила 30j VI 1975 г.
