Гидравлический расчет поливного полиэтиленового трубопровода системы капельного орошения

Научный электронный журнал КубГАУ . № 05(13), 2005

УДК 532.5

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОЛИВНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО ТРУБОПРОВОДА СИСТЕМЫ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ

Микитюк А. В. – к. т. н., доцент

Кажаров В. М. – аспирант

Шугай П. Ю. – ассистент

Кубанский государственный аграрный университет

В статье приведен гидравлический расчет поливного полиэтиленового трубопровода системы капельного орошения. Получена теоретическая формула для определения потери напора в поливном трубопроводе, которая учитывает нелинейный закон изменения средней скорости потока по длине поливного трубопровода.

Одним из основных элементов систем капельного орошения являются поливные трубопроводы с водовыпусками. Потери напора в поливном трубопроводе (ПТ) рекомендуется вычислять по формуле Дарси – Вейсбаха (1):

. (1)

При гидравлическом расчете ПТ необходимо учитывать движение жидкости с убывающим по пути расходом. Особенно значительно влияние переменной массы жидкости на потери напора, если поливные трубопроводы превышают длину 50 м [1].

Поэтому при вычислении потери напора в ПТ будем учитывать скорость жидкости в начале трубопровода. Определим потери напора на участках ПТ по формуле, используя выражение (1):

, (2)

где – коэффициент гидравлического трения на участке, определяемый по скорости в начале ПТ;

– скорость в начале расчетного участка длиной и диаметром , м/с.

Предположим, что движение жидкости с раздачей расхода по пути можно описать в виде закона изменения средней скорости по длине участка трубопровода:

, (3)

где x – расстояние от начала трубопровода до расчетного сечения;

a – показатель степени, учитывающий нелинейный характер распределения скорости по длине трубопровода с капельницами.

При a=1 получаем линейный закон изменения средней скорости потока по пути трубопровода, то есть равномерную раздачу расхода по пути, что необходимо при режиме капельного орошения культур. Но коэффициент a может изменяться от 1 до 0 в зависимости от длины трубопровода. Подставляя (3) в формулу (2), получим:

. (4)

Формула (4) является функцией потерь напора при движении жидкости с переменной массой в зависимости от закона изменения средней скорости потока .

В зависимость (4) входит параметр , который также зависит от . Проведем анализ коэффициента гидравлического трения в случае движения жидкости в ПТ с капельницами.

Как было ранее установлено Е. В. Кузнецовым [2], А. А. Федорцом [3] и др. [4; 5], в случае движения жидкости с переменной массой в полиэтиленовых трубопроводах коэффициент зависит от числа Рейнольдса и определяется по эмпирической формуле вида:

, (5)

где А – постоянный коэффициент, учитывает влияние длины и диаметра трубопровода на потери напора;

– число Рейнольдса, учитывает режим движения жидкости.

Проанализируем безразмерный коэффициент a. При a=1 в трубопроводе может установиться ламинарный режим, тогда А=64. Имеются исследования Я. Т. Ненько, Г. А. Петрова [5; 6], которые указывают на то, что при небольших скоростях потока устанавливается переходной режим движения жидкости от ламинарного до области "гладких труб". В этом случае коэффициент А принимает любые другие целые значения в зависимости от длины ПТ и числа капельниц на нем. При a=0 коэффициент автомоделен относительно числа , и в трубопроводах устанавливается квадратичная область сопротивления. Скорость (3).

Решим уравнение (4), подставив в него формулу (5). После преобразований и дифференцирования получим:

где n – кинематическая вязкость жидкости.

Обозначив через , получаем:

. (6)

Далее дифференцируем (6) по dx, получим:

. (7)

Решим дифференциальное уравнение (7). Считаем, что температура жидкости постоянная, следовательно, n = const, диаметр трубопровода и скорость в его начале также постоянны:

< 0; ,

или

. (8)

Формула (8) служит для вычисления потерь напора в поливных трубопроводах систем капельного орошения. Формулу (8) можно представить в виде:

, (9)

где – коэффициент гидравлического трения, учитывающий изменение расхода по пути трубопровода.

Проведем анализ формулы (9). При a=1 получаем линейный закон изменения средней скорости потока по пути в трубопроводе. При этом коэффициент гидравлического трения будет определяться формулой [7]:

. (10)

При a=0,25 коэффициент гидравлического трения будет вычисляться формулой Блазиуса [8]:

. (11)

При a=0,45 коэффициент гидравлического трения принимает вид [6]:

. (12)

Экспериментально учеными установлено [2; 9; 10], что в полиэтиленовых ПТ систем капельного орошения возрастает с увеличением показателя степени a от 0,25 до 0,45 соответственно с 0,612 до 2,111. Здесь также прослеживается определенная гидравлическая закономерность в изменении коэффициентов a и _.

В результате теоретических исследований можно прийти к выводу о том, что коэффициент гидравлического трения l в поливных полиэтиленовых трубопроводах находится для чисел = 2300 ¸ 40000 по формуле:

, (13)

где и a – гидравлические параметры, определяемые опытным путем для каждого конкретного случая.

Список литературы

1. Орел, И. П. Гидравлический расчет поливных трубопроводов систем капельного орошения / И. П. Орел, Ю. Н. Великанов // Гидротехника и мелиорация. – 1978. – № 7, С. 52–55.

2. Кузнецов, Е. В. Влияние транзитной скорости на отклонение потока при истечении через отверстия-водовыпуски / Е. В. Кузнецов // Тр. Кубан. СХИ. – Краснодар, 1980. – Вып. 172. – С. 115–122.

3. Федорец, А. А. Гидравлические исследования поливных трубопроводов систем капельного орошения. – В кн. : Новое в техн. и технол. полива / А. А. Федорец // Сб. науч. тр. ВНПО "Радуга". – 1978. – Вып. 2. – С. 115–120.

4. Маланчук, З. Р. Экспериментальные зависимости гидравлического расчета поливных трубопроводов. – В кн. : Новое в техн. и технол. полива / З. Р. Маланчук // Сб. науч. тр. ВНПО "Радуга". – 1979. – Вып. 12. – С. 184–189.

5. Ненько, Я. Т. О движении жидкости с переменной вдоль потока массой / Я. Т. Ненько // Тр. Харьковского гидромет. ин-та. – Харьков, 1938. – С. 3–50.

6. Петров, Г. А. Гидравлика переменной массы / Г. А. Петров. – Харьков : Изд. Харьк. ун-та, 1964. – 223 с.

7. Novotny, M. Techologia a hydraulika pomalej podpovrchovej zavlahy pre trvale plodiny / M. Novotny, A. Klopčėk // Vyskumneho ustavu zavlahoveho hospodarstwa. – Bratislave, 1981. – № 15. – С. 145–161.

8. Черноморцева, В. Н. Гидравлический расчет поливного трубопровода, оборудованного капельницами / В.Н. Черноморцева // Докл. ВАСХНИЛ. – 1983. – № 2. – С. 40–41.

9. Кузнецов, Е. В. Расходные характеристики капельниц-водовыпусков / Е. В. Кузнецов, Ю. А. Скобельцын // Тр. Кубан. СХИ. – Краснодар, 1982. – Вып. 198. – С. 73–79.

10. Федорец, А. А.Определение коэффициента гидравлического трения полиэтиленовых трубопроводов, применяемых для капельного орошения / А. А. Федорец, С. М. .Мороз, Л. А. Конюхов. – В кн. : Гидромелиорация и гидротехническое строительство. – Львов, 1979. – Вып. 7. – С. 63–67.

Научный электронный журнал КубГАУ . № 05(13), 2005