Подробное сравнение пластиковых и чугунных труб. Часть 41. Теория потока

Гидравлический анализ учитывает переменные, которые определяют пропускную способность, включая диаметр трубы, длину канализационной или дренажной линии, уклон трубы и шероховатость или гладкость внутренней поверхности трубы. Все эти переменные, влияющие на поток в конкретной системе, должны быть проанализированы таким образом, чтобы труба была рассчитана и установлена так, чтобы эффективно переносить максимальный объем воды, ожидаемый для прохождения через систему в пиковых условиях эксплуатации. Вопрос «Сколько воды будет проходить через трубы определенного диаметра?» часто задают, имея в виду именно пропускную способность трубопровода. К сожалению, в запросе упоминается только одна из переменных, которые могут существенно изменить поток, и для получения точного и полезного для инженера ответа необходимо получить более полную информацию о конкретной установке. Цель этой главы — рассмотреть теорию потока и определить пропускную способность и, таким образом, представить практическую информацию, касающуюся надлежащей гидравлической конструкции для систем сточных вод из пластиковых и чугунных канализационных труб.

Большинство пластиковых и чугунных труб в канализационных и дренажных системах находятся в состоянии лишь частичного заполнения (то есть имеют свободные поверхностные потоки или гравитационные потоки), и их можно было бы назвать «открытым каналом». Поскольку потери на трение, как правило, не зависят от давления, потоки воды как в трубопроводах, так и в открытых каналах подчиняются одним и тем же основным законам и выражаются в одинаковых общих формулах. Законы, применяемые к трубопроводу, обычно предполагают устойчивые, равномерные условия или равномерное распределение жидкости по всей системе. Эта непрерывность потока, хотя, как правило, не поддерживается в течение длительного периода времени, ближе к условиям, которые могут существовать в канализационных коллекторах, в отличие от условий в стоках, в которых часто возникает нагнетание потока.

Однако обычно используются те же гидравлические принципы для определения расхода в канализации и для оценки производительности наклонных стоков в зданиях и рядом с ними. Поскольку количество взвешенных твердых частиц в сточных водах обычно слишком мало, чтобы оказывать какое-либо значительное влияние на характер потока, поток сточных вод в чистом трубопроводе ведет себя так же, как поток воды, с одним возможным исключением, а именно: эти сточные воды могут вызвать изменение состояния поверхности или накопление слизи на внутренних стенках трубопровода в течение нескольких лет. Это окажет долгосрочное влияние на поток в трубопроводе, изменив его рисунок по сравнению с тем, который можно найти в сопоставимом трубопроводе, используемом для транспортировки воды. Однако многие моющие средства, обычно вводимые в канализационные коллекторы, имеют тенденцию сохранять чистоту, что делает измерения расхода воды достаточно точными даже в течение длительного времени, для измерений расхода сточных вод в тех же каналах.

Тем не менее нельзя не отметить, что пластиковые трубы имеют значительное преимущество перед чугунными в канализационных системах, поскольку коэффициент шероховатости любых пластиков ниже, чем у любого чугуна, а это значит, что потери на трение будут меньше. А вот преимущество, ещё более важное для канализационных систем: пропускная способность пластиковых труб со временем не снижается, поскольку пластики не взаимодействуют с транспортируемыми средами, а значит, накопление загрязнений практически невозможно. Чугунные же трубопроводы нуждаются в частых прочистках, что невыгодно и с экономической точки зрения. Далее поговорим о так называемых ламинарном и турбулентном потоках в трубопроводных системах. В трубопроводах, используемых для транспортировки жидкостей, могут возникать два основных типа потока. Поток называется ламинарным, когда жидкость движется без вихрей или поперечных токов по прямым линиям, параллельным стенкам трубопровода. Как только скорость потока достигает «критической» скорости, возникают перекрестные токи, заставляющие жидкость перемещаться по трубопроводу нерегулярно, и в этом случае поток называется турбулентным.

Здесь уместно ввести такое значение, как число Рейнольдса. Это значение является лучшим критерием для определения типа потока, который преобладает в конкретном трубопроводе при определенных условиях. Соответствующие расчёты были проведены профессором Осборном Рейнольдсом из Оуэнс-колледжа (Манчестер, Англия) и впервые использованы в уже далёком 1883 году для объяснения изменения значений потока воды в трубопроводной системе. Рейнольдс определил, что общее увеличение скорости или скорости потока в конечном итоге превращает его из ламинарного в турбулентный и что поток возвращается обратно в ламинарный, когда его скорость постепенно уменьшается. С помощью экспериментов с использованием воды при разных температурах было обнаружено, что это явление зависит не только от скорости потока, но также от вязкости и плотности жидкости и диаметра трубы. Рейнольдс выразил это численно следующим образом: диаметр трубы умножается на скорость и плотность жидкости, а затем делится на вязкость жидкости. Число Рейнольдса с высокой степенью точности помогает определять характер потока до сих пор. В следующей части продолжим рассказ о числе Рейнольдса и теории потока.