CC BY
13
Разработка программно-аппаратного комплекса
для исследования местных потерь в противопожарных водопроводах
Бубнов В. Б., Васильев Ф. С.,
Ивановский институт ГПС МЧС России, г. Иваново
При движении огнетушащей среды по трубопроводным линиям систем противопожарного водоснабжения возникают потери напора, обусловленные сопротивлением трения и местными сопротивлениями [1].
При проектировании систем противопожарного водоснабжения важным вопросом является рациональная организация участков местных сопротивлений. Важность этого вопроса обусловлена поиском путей минимизации потерь напора и экономии энергозатрат при транспортировке жидкостей через систему.
Целью работы является создание программно-аппаратного комплекса, имитирующего движение жидкости в системах противопожарного водоснабжения, и проведение исследований по оптимальной организации участков противопожарных водопроводов, на которых возникают местные потери.
Разработана математическая модель процесса движения жидкости по трубопроводам различной конфигурации в лабораторной установке. Математическая модель положена в основу создания программно-аппаратного комплекса, включающего схему установки с обозначениями, блоки ввода исходных данных и вывода результатов моделирования. Приводятся диапазоны, в пределах которых можно варьировать величины регулируемых параметров.
Блоки ввода позволяют изменять ряд параметров: свойства жидкости, диаметры трубопроводов, тип местного сопротивления, максимальный расход воды (для изменения режима движения жидкости). Блок вывода включает в себя две таблицы опытных данных: расход жидкости и показания дифференциального манометра на участке заданного вида местного сопротивления.
Лабораторная установка состоит из напорного бака, системы параллельно работающих трубопроводов, включающей различные виды местных сопротивлений: изменение направления потока жидкости (резкие повороты трубопровода под различными углами (колена без закругления) и плавные повороты (отводы) трубы; переходы с одного диаметра на другой в виде внезапных сужений и расширений и плавных в виде диффузора и конфузора; участки трубопровода с запорно-регулирующей арматурой и измерительными приборами.
Для измерения перепада давления служат U- образные стеклянные дифференциальные манометры. Каждый трубопровод для измерения расхода воды оборудован ротаметром. При различных расходах производятся замеры показаний соответствующих дифференциальных манометров. По их величине можно вычислить значения коэффициентов местных сопротивлений и судить о величине потерь напора на исследуемом местном сопротивлении.
Программно-аппаратный комплекс разработан с помощью MathConnex, который является самостоятельным приложением, включенным в систему MathCAD и выполняющим функции системного интегратора. Благодаря Math-
Connex возможно простое и наглядное установление сложных взаимосвязей между различными приложениями. Средство MathConnex весьма полезно, если необходимо блочное представление и описание сложной системы, работу которой необходимо имитировать [2].
Для подтверждения адекватности математических моделей проведен ряд экспериментальных исследований на лабораторной установке. Некоторые результаты представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, результаты расчетов хорошо согласуются с результатами проведенных экспериментов. Это позволяет использовать данную математическую модель для определения коэффициентов местных сопротивлений.
В таблице 2 представлены значения коэффициентов местных сопротивлений для различных участков трубопровода, полученные с использованием программно-аппаратного комплекса, и значения, взятые из справочной литературы [3].
Таблица 1
Опытные и расчетные данные по определению гидравлических потерь
Вид сопротивления Расход жидкости, Показания дифференциального манометра, мм
трубопровода кг/с опытное значение расчет по модели
1. Поворот трубы 0,001 0 0,1
на 900 0,006 1 1,2
0,011 4 3,7
0,017 7 7,4
0,023 12 12,3
2. Внезапное 0,001 0 0,07
сужение 0,006 1 1,1
трубопровода 0,011 4 3,6
0,017 8 7,5
0,023 13 12,7
Таблица 2
Значения коэффициентов местных сопротивлений для различных участков трубопровода
Вид сопротивления трубопровода Значение коэффициента сопротивления Относит. погрешность, %
расчетное значение литерат. значение
1. Резкий поворот трубы на 900 (колено без закругления) 1,07 1,1 2,7
2. Плавный поворот (отвод) трубы на 900 0,235 0,24 2,1
3. Внезапное расширение трубопровода 0,305 0,31 1,6
4. Диффузор 0,267 0,27 1,1
5. Вентиль нормальный (при полном открытии) 20 мм) 7,9 8 1,25
Проведенные комплексные экспериментальные исследования на лабораторной установке и численные исследования с помощью программно -аппаратного комплекса позволили провести анализ и сделать некоторые выводы, которые будут полезны с точки зрения оптимального проектирования систем противопожарного водоснабжения и снижения величины потерь напора в трубопроводах при движении жидкости.
Установлено, что в диффузорах минимальные потери напора наблюдаются при угле расширения до 80. В случае диффузора с углом конусности более 50 потери напора значительны и переход с меньшего на больший диаметр целесообразнее организовывать в виде внезапного расширения. В конфузорах потери напора пренебрежимо малы и лишь при значениях угла конусности более 500 становятся заметны.
При повороте трубопровода на угол менее 150 гидравлическим сопротивлением можно пренебречь. Организация плавного поворота трубы способствует уменьшению вихреобразования в потоке, потери напора при этом значительно меньше, чем при повороте трубопровода в виде колена.
Разработанный программно-аппаратный комплекс будет весьма полезен для использования в учебном процессе при изучении дисциплин «Гидравлика», «Гидрогазодинамика» и «Противопожарное водоснабжение», при изучении методик определения коэффициентов гидравлических сопротивлений, а также при проведении научно-исследовательских работ.
Библиографический список
1. Абросимов Ю. Г. Гидравлика: Учебник. — М: Академия ГПС МЧС России, 2005. — 312 с.
2. Дьяконов В. П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO. — М.: СК ПРЕСС, 1998- 352 с.
3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. — М.: Машиностроение, 1992. — 672 с.
