Повышение транспортирующей способности самотечных трубопроводов с учетом гидрофобности и рельефа их поверхности
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ГИДРОФОБНОСТЬ И ГИДРОФИЛЬНОСТЬ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ В ПРИЛОЖЕНИИ К САМОТЕЧНЫМ ТРУБОПРОВОДАМ ТРАНСПОРТА ЖИДКОСТИ
1.1 Краткий анализ практических и теоретических разработок по смачиваемости рабочих поверхностей скольжения
1.2 Экспериментальные исследования степени гидрофобности потенциальных защитных покрытий трубопроводов в статических и динамических условиях
1.2.1 Поисковые исследования гидрофобности внутренних защитных покрытий трубопроводов в статических условиях
1.2.2 Экспериментальные стендовые исследования смачивания защитных покрытий в динамических условиях на малогабаритном гидравлическом стенде
1.3 Создание специализированной программы для расчета гидравлических параметров с учетом использования опытных данных, полученных на испытательном стенде
1.4 Постановка задачи последующих исследований по результатам стендовых испытаний с возможностью использования различной текстуры шероховатости для изучения эффекта транспортирующей способности потока
1.5 Краткие выводы по главе
35
ГЛАВА 2. ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБОПРОВОДА НА СТАНДАРТНЫХ И МАЛОГАБАРИТНЫХ СТЕНДАХ С УЧЕТОМ ПОКАЗАТЕЛЯ ГИДРОФОБНОСТИ
2.1 Описание технических характеристик защитного покрытия «6XEFRW» выбранного в качестве объекта исследований на двух альтернативных установках
2.2 Определение гидравлических характеристик защитного покрытия «6XEFRW» на крупногабаритном и малогабаритном стендах
2.2.1 Методика проведения экспериментов на крупногабаритном стенде и их основные результаты
2.2.2 Методика проведения экспериментов на малогабаритном стенде и их основные результаты
2.3 Обработка результатов экспериментов на гидравлических стендах с использованием компьютерных программ
2.3.1 Обработка экспериментальных данных, полученных на крупногабаритном
гидравлическом стенде
2.3.2 Обработка экспериментальных данных, полученных на стенде по
исследованию гидрофобности защитного покрытия в динамических условиях
2.4 Краткие выводы по главе
49
ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР, ПОИСКОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ТЕКСТУРЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ САМОТЕЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗА СЧЕТ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ МАЛЫХ НАПОЛНЕНИЯХ И РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
3.1 Аналитический обзор по образованию и полезному использованию вихревого течения в натурных условиях при обтекании потоком точечных, линейно вытянутых и других объектов
3.2 Краткий анализ практических исследований обеспечения турбулентности потока и транспортирующей способности трубопроводов по выносу взвешенных веществ
3.3 Поисковые экспериментальные и теоретические исследования турбулентности на рифленых поверхностях с использованием светотеневого эффекта на гидравлическом стенде при малых наполнениях и различных скоростях течения жидкости
3.4 Теоретические исследования по влиянию характера рельефа поверхности трубопроводов на создание зон микротурбулентности
3.5 Краткие выводы по главе 3
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОТУРБУЛЕНТНОСТИ И ПОВЫШЕНИЯ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОТОКА
4.1 Краткие сведения о двухфазных потоках жидкости в приложении к решаемой задачи
4.2 Методика проведения натурных экспериментов по исследованию микротурбулентности на открытых лотках с рифленой поверхностью в широком диапазоне наполнений и скоростей течения жидкости
4.3 Результаты исследования турбулентности и транспортирующей способности открытых лотков с рифленой поверхностью при использовании в качестве объекта транспортировки взвешенного песка различных фракций
4.3.1 Исследование однофазных потоков при различных типах препятствий.
4.3.2 Исследование двухфазных потоков при транспортировке песка разного гранулометрического состава, отсутствия и наличия различных типов препятствий
4.3.3 Использование математических зависимостей для расчета величин неразмывающих скоростей и сопоставления их с экспериментальными при исследовании двухфазных потоков
Краткие выводы по главе 4
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И КОММЕРЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
5.1 Анализ и перспективы коммерциализации применения малогабаритных стендов для проведения экспериментов по определению гидравлических показателей течения жидкости в самотечных трубопроводах
5.2 Оценка возможностей использования изобретений и автоматизированной программы при исследованиях механических свойств трубопроводов до и после операций по истираемости экспериментальных образцов труб или защитных покрытий.
5.3 Обоснование технико экономического эффекта от использования текстуры искусственной шероховатости на внутренней поверхности трубопроводов
5.4 Краткие выводы по главе
143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЯ 159
В первой главе произведён анализ практических и теоретических разработок
по смачиваемости рабочих поверхностей скольжения, используемых при
изготовлении трубопроводов и защитных покрытий. Рассмотрены результаты
исследований авторов, занимающихся подобными проблемами, в частности
гидрофобности и супергидрофобности рабочих поверхностей как в статических,
так и в динамических условиях. Аргументирован практический интерес
гидрофобного состояния защитных покрытий для самотечных трубопроводов.
Представлены результаты поисковых исследований гидрофобности защитных
покрытий трубопроводов в статических и динамических условиях. Приведены
результаты поисковых стендовых исследований смачивания защитных покрытий
вдинамическихусловияхнамалогабаритномгидравлическомстенде,
установленном в лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения. Описана
методикаработынаустановкеиалгоритмработыуниверсальной
автоматизированнойпрограммырасчетагидравлическихпараметровдля
различныхтиповзащитныхпокрытий,исследуемыхнамалогабаритном
гидравлическомстенде.Статическиеисследованиявнутренних защитных
покрытий выявили в основном их гидрофильный характер (краевые углы в
диапазоне 36-60). Однако, динамические исследования движения минипотока на
одном из покрытий (Smart Surface) показали, что оно обладает ярко выраженными
гидрофобными свойствами.
Исследования движения минипотокажидкости на наклонном желобе
показали,чтоспомощьюопределенияотносительногокоэффициента
гидрофобности защитных покрытий и геометрических показателей можно
производитьрасчетгидравлическихпоказателейпотока,вчастности
коэффициента относительной шероховатости исследуемого материала.
Представленаинформацияопоследующихэкспериментальныхи
теоретических исследованиях, а также возможности использования различной
текстуры шероховатости, с помощью которой возможно достижение эффекта
транспортирующей способности исследуемого трубопровода.
Во второй главеописаны методики проведенияэкспериментов: на
стандартном крупногабаритном и малогабаритных стендах. Представлены
гидравлические характеристики защитного покрытия «Subcot», выбранного в
качестве объекта исследований на каждой из установок. Установлено, что
покрытие «Subcot» можно отнести к гидрофильному.
Проанализированырезультатыэкспериментовсиспользованием
компьютерных программ в динамических условиях с различными типами
защитных покрытий.
По итогам гидравлических экспериментов на обоих стендах констатирована
высокая сходимость результатов по определению показателя коэффициента
гидравлического трения λ. Погрешность составила 2,14 %.
Третьяглававключаетвсебяаналитическийобзор,поисковые
экспериментальные и теоретические исследования по изучению текстуры
внутреннейповерхноститрубопроводоввцеляхповышенияих
транспортирующейспособностизасчетвихреобразованияпрималых
наполнениях и различных скоростях течения жидкости.
Произведен аналитический обзор по образованию и полезному использованию
вихревого течения в натурных условиях при обтекании потоком точечных,
линейно-вытянутых и других объектов. Приведены примеры практических
исследованийобеспечениятурбулентностипотокаитранспортирующей
способности трубопроводов по выносу взвешенных веществ.
Представлены данные по результатам поисковых экспериментальных и
теоретических исследований турбулентности на рифленых поверхностях с
использованием светотеневого эффекта на новой конструкции гидравлического
стенда при малых наполнениях и различных скоростях течения жидкости.
Исследованы различные варианты структур искусственного рельефа внутренней
поверхности труб, обеспечивающих микротурбулентность потока; представлены
результаты гидравлических экспериментов на открытом лотке с различной
структурой рельефа поверхности; установлено, что оптимальным решением для
возможности отслеживания возникающих дорожек Кармана с помощью фото и
кинотехники являются малые наполнения воды в трубопроводе.
Установлены параметры, описывающие характер вихрей и их габариты как до,
так и после препятствий, представленных в виде: единичных, сдвоенных и
групповыхпрепятствийпрямоугольной,цилиндрической,призматической,
шаровой и круглой форм при различном их расположении по отношению к оси
потока (перпендикулярно или под углом). На базе полученных результатов
констатировано, что практически любые препятствия в той или иной степени
провоцируют микротурбулентность потока при скоростях течения жидкости
менее самоочищающих.
Установлено, что явные преимущества по созданию стойких вихревых
дорожек от препятствия к препятствию были достигнуты на групповых
препятствиях в виде смещенных от оси желоба идентичных многогранных фигур.
Построены графики и получены математические зависимости коэффициента
шероховатости от соотношения высоты препятствия к диаметру трубы при
различных значениях наполнений (рисунок 1). Проведено сопоставление
значений коэффициента шероховатости для реальных канализационных труб из
различных материалов с искусственной шероховатостью, создаваемой на
экспериментальнойустановке.Установленопрактическоеотсутствие
расхождений между искусственной и естественной шероховатостями в диапазоне
самоочищающих скоростей течения воды и расчетных наполнений.
Рис. 1 Иллюстрация зоны проведения экспериментов в диапазоне возможных
скоростей при высотах
препятствий: k1=1 мм, k2=2 мм, k3=3 мм и k4=4 мм
1 – зона ламинарного течения для любых препятствий в рассматриваемом
диапазоне, 2 – зона проведения экспериментов; 3 – зона турбулентного течения
для высот преград свыше 4 мм
В четвёртой главе представлены краткие сведения о двухфазных потоках
жидкости в приложении к решаемой задаче, а также методика и результаты
комплексных гидравлических исследований рельефа внутренней поверхности
труб для обеспечения микротурбулентности и повышения транспортирующей
способности потока при наличии однофазного и двухфазного потоков жидкости.
Разработана и представлена методика проведения натурных экспериментов по
исследованию гидравлических параметров однофазных и двухфазных потоков на
запатентованном стенде (рисунок 2), на открытых лотках без текстурированной
поверхности с рифленой структурой (в виде клиньев с заостренным и лобовым
сопротивлением, пирамид, уголков) в широком диапазоне наполнений (0,05-0,6) и
скоростей (0,1-0,6 м/с) течения жидкости и использовании в качестве объекта
транспортировки песка различных фракций (0,1-3,0 мм).
Рис. 2 Испытательный стенд по исследованию транспортирующей способности
открытых лотков с различной текстурой внутренней поверхности.
неподвижнаярама,2- подвижнаяплатформа,3- желоб,4- резиновый
гофрированный патрубок, 5- накопительная емкость, 6- съемный сетчатый
уловитель, 7- малые механические домкраты, 8- трубный модуль в виде
открытого лотка, 9, 10- соответственно фотокамеры фронтальной и коаксиальной
съёмки, 11- источник светового излучения, 12- большой механический домкрат,
13- заполненная водой магистраль, 14- сообщающиеся гибкие прозрачные трубки,
15- планка, 16- подвижные мерные линейки, 17- лазерный отвес, 18- выдвижная
мерная линейка, 19- приемная мерная емкость
При исследовании двухфазныхпотоков использовалсяпесок разного
гранулометрического состава при отсутствии и наличии различных типов
препятствий. Приведены математические зависимости для расчета величин
неразмывающих скоростей и сопоставления их с экспериментальными данными
при исследовании двухфазных потоков. На базе визуальных наблюдений и
расчетных параметров однофазных течений установлено, что принципиальных
отличий в расположении различного типа препятствий на лотке и их
многочисленных комбинациях (например, «прямая» или «обратная» елочки) для
созданиямикротурбулентности нет.Когерентноетечениевозникает при
скоростях начиная от 0,3 м/с и наполнениях более 0,3, что было использовано в
качестве основы для проведения экспериментов на двухфазном потоке.
В результате экспериментов на двухфазном потоке в лотках с различной
рифленой поверхностью установлены оптимальные варианты расположения
препятствий, обеспечивающих эффективную транспортирующую способность,
которая оценивалась в виде выноса песка на единицу площади дюны (мг/с на см 2)
и на единицу длины дюны (мг/с на см). Установлено, что наиболее эффективными
для содействия транспортировке песчаных примесей по лоткам являются
препятствия в виде клиньев с заостренным концом к потоку или полуциркульным
лобовым; диапазоны их транспортирующих способностей в интервале скоростей
(0,345-0,5 м/с) и наполнений (0,377-0,446) для песка фракцией 2,5-3 мм составили
соответственно по площадям дюны 1,336-1,482 мг/с на см2 и по длинам дюны
6,01-6,67 мг/с на см. Опыты показали, что препятствия в виде пирамид и уголков
являются неэффективными, так как не обеспечивают полного выноса песчаных
гряд с поверхности лотка.
Установлено, что в лотке без преград при одинаковых условиях с преградами в
виде клиньев для полного выноса песчаных гряд требуются скорости более 0,588
м/с и наполнение не менее 0,446; при этом транспортирующая способность
составляет соответственно на единицу площади дюны 1,155 мг/с на см2 и на
единицу длины дюны 5,2 мг/с на см, что меньше, чем в лотках с рифленой
поверхностью.
В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что в
различных ситуациях, связанных с видом и расположением преград, крупностью
фракций песка транспортирующая способность по удалению песка фракцией 0,1-
0,3 мм по сравнению с фракцией 2,5-3,0 мм отличается значительно. Разница на
единицу площади составляет порядка 53,1 %, а на единицу длины дюны 46,6 %.
Таким образом, более эффективно выносится более мелкая фракция.
Пятая глава посвящена техническому обоснованию и коммерческим
возможностямиспользованиярезультатовинтеллектуальнойдеятельности.
Представлены ключевые преимущества решения проекта с наиболее близкими
аналогами по характерным ключевым характеристикам. Представлена бизнес-
модель потенциальной коммерциализации проекта по Александру Остервальдеру
и Иву Пинье.
Произведенаоценкавозможностейиспользованияизобретенийи
автоматизированной программы при исследованиях механических свойств
трубопроводов до и после операций по истираемости экспериментальных
образцов труб или защитных покрытий. Выявлен технико-экономический эффект
от использования текстуры искусственной шероховатости на внутренней
поверхности трубопроводов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Практически и теоретически исследована гидрофобность и гидрофильность
большогоколичествавнутреннихповерхностейлотковсамотечных
трубопроводов в статических и динамических условиях. Аргументирован
практический интерес к последующему исследованию иных гидрофобных
материалов защитных покрытий для самотечных трубопроводов.
2. Введено и обосновано новое понятие: «относительный коэффициент
гидрофобностиKотн»,спомощьюкоторогопроизводитсяоценка
транспортирующей способности потока жидкости.
3. По результатам исследования поведения минипотока на экспериментальном
стенде с использование кино и фотоаппаратуры выявлена связь относительного
коэффициента гидрофобности защитных покрытий с гидравлическими и
геометрическимипоказателямипотока,коэффициентомотносительной
шероховатости исследуемого материала, что позволяет использовать для
определения гидравлических характеристик разработанные малогабаритные
установки вместо громоздких гидравлических стендов.
4. По итогам гидравлических экспериментов по определению коэффициента
гидравлического трения λ набрызговых защитных покрытий на крупногабаритном
и малогабаритном стендах отмечена высокая степень сходимости полученных
результатов; идентификация результатов позволяет рекомендовать применение
малогабаритныхстендовприпроведениигидравлическихисследований
трубопроводов в целях значительной экономии денежных средств на их создание
и эксплуатацию.
5. Разработаны и запатентованы конструкции гидравлических стендов для
проведения комплексных исследований турбулентности и транспортирующей
способности потока воды на текстурированных поверхностях. Исследованы
различныевариантыструктуррельефавнутреннейповерхноститруб,
обеспечивающихмикротурбулентностьпотока;представленырезультаты
гидравлических экспериментов на открытом лотке с различной структурой
рельефа поверхности.
6. Представлена методика и математическая модель, описывающая область
проведения экспериментов в зоне ламинарного и турбулентного течения
жидкости с учетом высот искусственной рифленой (структурированной)
поверхности на открытых лотках; установлено, что стойкие вихревые дорожки от
препятствия к препятствию преимущественно достигаются на групповых
препятствиях в виде смещенных от оси желоба идентичных многогранных фигур.
7. Разработана и опробована методика проведения натурных экспериментов
по исследованию гидравлических параметров однофазных и двухфазных потоков
на открытых лотках без текстурированной поверхности и с рифленой структурой
в широком диапазоне наполнений и скоростей течения при транспортировке
песка различных фракций на базе использования светотеневого эффекта.
8. Установленынаиболееэффективныевариантырасположения
искусственныхпрепятствий(выступовшероховатости)ввидеклиньев,
обеспечивающих эффект транспортирующей способности при скоростях течения
воды в лотках ниже самоочищающих.
9. Проанализированыперспективыкоммерциализацииприменения
малогабаритных стендов для проведения экспериментов по определению
гидравлических показателей течения жидкости в самотечных трубопроводах.
Создана и описана бизнес-модель коммерциализации проекта.
10.Результаты работы внедрены в учебном процессе НИУ МГСУ и на
строительных объектах г. Москвы при проектировании объектов реконструкции
трубопроводных сетей.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
1. Исследование транспортировки потоков различного генеза (например,
сточной воды, содержащей нефтепродукты), при отсутствии и наличии различных
типов препятствий.
2. Использованиесозданныхэкспериментальныхстендови
автоматизированной программы при исследованиях механических свойств
трубопроводов до и после операций по истираемости экспериментальных
образцов труб или защитных покрытий.
Актуальность работы.
Восстановление и ремонт трубопроводных коммуникаций в Российской Федерации является важной проблемой, около 30 % коммуникаций, в особенности самотечных трубопроводов, нуждаются в срочном восстановлении в силу наличия дефектов (свищей, коррозионных повреждений, трещин, расхождений стыков и т.д.). Наличие данных проблем ставит во главу задачу совершенствования технологий их реконструкции и модернизации. В связи с этим своевременное (оперативное) восстановление самотечных трубопроводных сетей и поиск новых эффективных материалов для создания трубопроводов в целях повышения долговечности и транспортирующей способности сетей является насущной проблемой не только в Российской Федерации, но и за ее пределами.
Продуктивное использование систем водосточных лотков и самотечных трубопроводов, по большей части, зависит от совершенствования режимов их эксплуатации (например, прочистки), а в экстремальных и негативных ситуациях, требует проведения на них ремонтно восстановительных работ. Весомым подспорьем в решении данных проблем может стать использование различного типа внутренних защитных покрытий, которые наряду с локализацией многочисленных дефектов трубопроводов позволяют повысить несущую способность трубопроводного транспорта, улучшить гидравлические характеристики и обеспечить в целом повышение транспортирующей способности трубопроводных систем. Однако, применяя новые материалы защитных покрытий трубопроводов необходимо учитывать ряд обстоятельств. Защитные покрытия при ряде перечисленных выше положительных свойствах не должны нарушать условия эксплуатации трубопроводных систем: в частности, они должны быть стойкими к механической и другим типам регулярных прочисток трубопроводных сетей. Рациональное применение новых строительных материалов для восстановления лотков, в том числе бестраншейными методами, способствует решению задачи эффективного транспортирования вод, с минеральными нерастворимыми
включениями, с поддержанием их во взвешенном состоянии в потоке, предотвращения их осаждения в лотковых частях труб, а также с уменьшением количества циклов периодической диагностики и прочистки.
Согласно мировой практике, широкое использование современных бестраншейных технологий ремонта и реконструкции в комплексе с активно расширяющимся рынком строительных услуг способствует ускорению и повышению эффективности решения проблемы восстановления ветхих трубопроводов. Это позволяет исследователям выявить экспериментальным путем такие виды защитных покрытий и их структуры, при которых возможно соблюдение (поддержание) и даже улучшение гидравлических характеристик течения потока жидкости, что ведет к повышению транспортирующей способности трубопроводных сетей. К таким типам защитных покрытий можно отнести гидрофобные пленки и самоочищающиеся структурированные поверхности.
Наибольшую сложность для исследователей представляет выбор и обоснование конкретного материала защитного покрытия с исполнением рельефа его поверхности. Такие задачи наиболее актуальны для систем водосточных лотков и трубопроводов транспорта сточных вод при малых их диаметрах, когда необходимо обеспечить повышение транспортирующей способности потока и вынос выпадающих в лотковой части труб загрязнений.
Для определения гидравлических показателей тех или иных материалов труб и
защитных покрытий традиционно используются крупногабаритные гидравлические стенды, что создает определенные неудобства исследователю. Они требуют больших площадей для размещения трубопроводов и контрольно измерительного оборудования и приборов, что приводит к существенным затратам на электроэнергию и эксплуатацию комплексов. В связи с этим, актуальной задачей является разработка альтернативной существующей, доступной, компактной и экономичной системы оценки гидравлических показателей и транспортирующей
способности внутренних защитных покрытий труб с различным рельефом поверхности. По убеждению автора диссертации, результатом создания системы
анализа гидравлических показателей защитных покрытий и оценки транспортирующей способности восстанавливаемой трубопроводной системы
должен стать процесс исследования гидравлических характеристик трубопровода с использованием такого показателя как гидрофобность его внутренней поверхности и создание условий микротурбулентности потока жидкости за счет особой структуры рельефа лотковой части трубопровода. Во главу решения задачи должна быть также поставлена разработка новых технических решений испытательных стендов, учитывающих одновременно несколько факторов, в числе которых: незначительные габариты конструкций, их простота и доступность при
проведении испытаний, легкость в эксплуатации, возможность использования автоматизированной системы расчета исследуемых параметров, соответствие получаемых гидравлическое показателей традиционному методу.
Степень разработанности темы исследования Исследованиям в области повышения транспортирующей способности трубопроводных систем водоснабжения и водоотведения посвящены работы Родина > Войтинской [ Орлова [
К текущему времени накоплено много справочных данных и расчетных зависимостей для определения гидравлических параметров потока в зависимости от материалов используемых труб и защитных покрытий, применяемых при бестраншейной реновации трубопроводов. Однако ряд вопросов, касающихся оценки гидрофобности защитных покрытий и самоочищающей способности трубопроводов при различном рельефе поверхностей скольжения, считается мало проработанным В связи с растущей необходимостью улучшения способов реновации трубопроводов с применением внутренних защитных покрытий проблема исследования транспортирующей способности является актуальной.
Объект исследования. Открытые лотки самотечных трубопроводов малого диаметра со сменными внутренними гидрофобными и гидрофильными защитными покрытиями, используемыми при реновации трубопроводов, имеющими различный рельеф внутренней поверхности и обеспечивающими эффект
микротурбулентности и тем самым повышение транспортирующей способности взвешенных веществ с минимизацией их осаждения в донной части лотка.
Предмет исследования. Проведение опытных и теоретических исследований по определению гидравлических характеристик передовых внутренних защитных покрытий трубопроводов с различным рельефом поверхности. Прогнозирование и вычисление гидравлических характеристик, параметров работы трубопроводных сетей с использованием программ для ЭВМ.
Научно техническая гипотеза диссертации. Экспериментальные и теоретические исследования должны стать подтверждением эффективности использования разнообразных видов рифленых внутренних защитных покрытий для повышения транспортирующей способности при перемещении сточных вод по водосточным лоткам и в самотечных трубопроводах
Цели и задачи исследования Цель исследования представляет собой совокупный анализ внутренних защитных покрытий трубопроводов и условий для повышения эффективности транспортирующей способности трубопроводов.
Задачами исследования являлись
− обзор мирового опыта применения внутренних защитных покрытий для
бестраншейной реновации трубопроводов, включая анализ их физико
химических и гидравлических характеристик
− изучение на специальном стенде гидрофобности и гидрофильности рабочих
поверхностей в статических и динамических условиях в приложении к
самотечным трубопроводам;
− разработка методики и программы для ЭВМ по расчёту степени гидрофобности
и гидравлических показателей внутренних защитных покрытий;
− выполнение теоретических и экспериментальных исследований явления микротурбулентности при обтекании потоком препятствий различной формы и
высоты, при различной их конфигурации
− определение влияния формы и геометрических размеров поперечного сечения
обтекаемых тел на процесс вихреобразования и транспортирующую
способность потока жидкости с разработкой методики по определению оптимального характера рельефа внутренней поверхности трубопровода. Научная новизна работы состоит в следующем:
− впервые оценка транспортирующей способности потока осуществлялась на базе исследования гидравлических и геометрических показателей формируемого на открытом лотке минипотока с учетом гидрофобных показателей защитных покрытий и их текстуры;
− введен новый показатель оценки степени гидрофобности, определяемый как относительный коэффициент гидрофобности, позволяющий оптимизировать поиск наиболее эффективного защитного покрытия в плане повышения транспортирующей способности потока;
− на базе изучения течения однофазного и двухфазного (с наличием загрязнителей) потоков с использованием светотеневого эффекта определены типы и конфигурации рифленых поверхностей защитных покрытий, обеспечивающие при скоростях ниже самоочищающих эффективную транспортирующую способность потока.
Теоретическая и практическая значимость работы
− разработаны новые конструкции малогабаритных экспериментальных стендов
> : для экспресс анализа степени гидрофобности (гидрофильности) рабочих поверхностей материалов защитных покрытий трубопроводов; для оценки эффективности транспортирующей способности потока жидкости в широких диапазонах наполнений при стабильных значениях скоростей течения воды на базе фиксации микротурбулентности путем светотеневого эффекта;
− создана и запатентована автоматизированная программа комплексного учета спектра гидравлических и геометрических показателей потока на базе сведений об относительной гидрофобности защитных покрытий;
− разработана методика по определению оптимального характера рельефа внутренней поверхности трубопровода для обеспечения его эффективной транспортирующей способности представлены рекомендации по оценке
транспортирующей способности трубопроводов в зависимости от рельефа его
внутренней поверхности
− установлены наиболее эффективные формы и варианты расположения
препятствий (рельефа поверхности), позволяющие достичь большей транспортирующей способности
Методология и методы исследования. Основой исследования послужили
труды отечественных специалистов в области гидравлики трубопроводного транспорта и исследования гидрофобности, в частности, Яковлева С.В., Камерштейна А.Г., Альтшуля А.Д. Ласкова Ю.М., Бойнович Л.В., Емельяненко А.М., Орлова В.А. и зарубежных ученых .XOLF]NRZVNL UROOD 6 . Lohse D. и других.
Основными методами, которые использованы в работе, являются: методы математического и компьютерного моделирования, стендовые экспериментальные исследования гидравлических характеристик защитных покрытий трубопроводов с помощью измерительного оборудования, в том числе на базе светотеневого эффекта (фото и киноаппаратуры). Во время проведения опытных и теоретических исследований использовались новые методики и экспериментальные стенды для определения гидравлических характеристик, а также транспортирующих характеристик защитных покрытий.
На защиту выносятся результаты:
− натурных стендовых исследований и компьютерного моделирования по оценке гидравлических показателей гидрофобности внутренних защитных покрытий;
− практических и теоретических исследований оценки транспортирующей способности и гидравлических характеристик самотечных трубопроводов с различными типами рельефа поверхности при течении однофазного и двухфазного потока жидкости.
Степень достоверности полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается проведением экспериментальных исследований с помощью поверенного измерительного
оборудования, обеспечивающих точность и воспроизводимость результатов, в том числе с применением средств автоматизированного программирования
Апробация результатов работы. Итоги исследований были представлены на следующих конференциях
− WK (DVWHUQ (XURSHDQ
Читать «Повышение транспортирующей способности самотечных трубопроводов с учетом гидрофобности и рельефа их поверхности»
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (37 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
5 (285 отзывов)
0 (13 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.7 (18 отзывов)
