Подробное сравнение пластиковых и чугунных труб. Часть 42. Теория потока

При малых числах Рейнольдса, когда преобладают вязкие силы, возникает ламинарный поток. Предполагая, что скорость потока меньше критической, наблюдается тенденция жидкости прилипать к стенкам трубы, а вязкость соседних слоев способствует оптимизации потока. Однако, как только достигается определенное значение числа Рейнольдса, течение становится нестабильным и после короткого переходного периода становится явно турбулентным. Обширные испытания коммерческих образцов труб круглого сечения показали, что для чисел Рейнольдса ниже значения 2000 можно ожидать ламинарного потока, тогда как турбулентный поток возникает при значениях выше 3000. Диапазон между этими критическими числами называется «переходной зоной».

Как правило, турбулентный поток считается характерным для всех канализационных и дренажных систем из чугунных труб, за исключением крайне ограниченного числа, поскольку скорость потока воды почти во всех установках приводит к числам Рейнольдса, превышающим 10000. Ламинарный поток, который больше похож на поток воды в очень маленьких трубах и поток нефти и других вязких жидкостей в промышленных трубах, происходит в канализационных коллекторах и дренажах только при необычно низких скоростях и наклонах, однако он более характерен для пластиковых трубопроводных систем, что также указывает на их преимущество перед чугунными. Преобладание турбулентного потока было установлено в ходе обширных исследований, проведенных бюро стандартизации, и показывающих, что турбулентный поток возникает в 75-90 мм гравитационных дренажных системах с уклоном от 10 до 30 мм на метр для наполовину полного или полного потока в трубопроводе.

Определение пропускной способности в канализационных и дренажных трубах из чугуна и пластика основано на гидравлических особенностях, которые обсуждались выше, и их можно определить следующим образом. Поток может иметь тип открытого канала с частично заполненным трубопроводом и поверхностными сточными водами, подверженными воздействию атмосферы. Также поток может являться равномерным со средней скоростью и глубиной сточных вод по всей длине трубопровода. Кроме того, поток сточных вод может вести себя так же, как поток дренируемой среды, а также поток может быть полностью турбулентным, когда сточные воды движутся по трубопроводу в виде турбулентной массы жидкости.

На различных схемах иллюстрируется поперечное сечение канализационных и дренажных труб открытого канала. Следует отметить, что трубопровод является открытым только частично, при этом верхняя поверхность сточных вод подвергается воздействию нормального атмосферного давления. Если указывается максимальная глубина воды в поперечном сечении, то периметр канализационной трубы или системы канализации представлен в плоскостях XYZ, а также длиной линии контакта между поперечным сечением и поверхностью канала. Гидравлический радиус канализации или дренажа равен площади поперечного сечения потока, делённой на периметр.

На других схемах и рисунках предлагается графическое представление равномерного потока в открытом канале, показывающее наклоны гидравлического уклона, градиента энергии (этот термин объясняется ниже) и инвертирование. Гидравлический уклон представляет собой наклон поверхности канализационных или дренажных вод и зависит от скорости напора. Градиент энергии представляет собой графическое представление полной энергии или общего напора с падением уклона, обеспечивающего измерение потери напора из-за трения.

Расстояние между градиентом энергии и гидравлическим уклоном указывает суммарный напор энергии или скорости, остающийся в любой точке вдоль канализационной или дренажной линии. Инвертирование — это линия, которая проходит вдоль основания канала в самой нижней точке его периметра, а его уклон устанавливается при монтаже канализационной или дренажной трубопроводной системы. Когда поток между выбранными точками является равномерным, то глубина канализационной или дренажной среды, средняя скорость и напор постоянны по всей длине, а гидравлический уклон, градиент энергии и инвертирование параллельны.