Введение

Одним из путей решения задач эффективной эксплуатации действующих трубопроводных систем является своевременное проведение на них ремонтно-восстановительных работ, в том числе с помощью бестраншейных технологий [1, 2]. Ремонт и модернизации трубопроводов должны сопровождаться улучшением гидравлических характеристик внутренних поверхностей безнапорных трубопроводов и открытых лотков, транспортирующих ливневые и сточные воды [3, 4]. Как известно, современный строительный рынок предлагает широкий ассортимент полимерных и композиционных материалов защитных покрытий (облицовок, изоляции и т. д.) с малыми гидравлическими сопротивлениями [5]. Оперативное нанесение на внутреннюю поверхность ветхих трубопроводов подобных покрытий с помощью бестраншейных методов ремонта позволяет содействовать решению задач эффективного транспортирования сточных вод, содержащих инородные включения, без их осаждения в лотковых частях труб [6].

При расчёте лотков на ограниченной площади сбора с водонепроницаемым покрытием следует руководствоваться определением расчётных расходов по методике СП 30.13330.2016 аналогично расчёту для кровли. Выбор материала труб и лотков (бетон, полимербетон, металл, полимер и т. д.) определяется в зависимости от климатической зоны, максимальной динамической и статической нагрузки на них [7, 8].

Актуальность настоящих исследований заключается в том, что по их результатам определяются условия, обеспечивающие дополнительное взмучивание (микротурбулентность) потока за счёт геометрической формы и расположения искусственных выступов (препятствий) на внутренней поверхности трубопроводов и лотков.

Усовершенствованная текстура поверхности лотков может способствовать предотвращению осаждения взвешенных частиц на лотках и их эффективному перемещению потоком жидкости при скоростях меньше самоочищающих.

Материалы и методы исследований

Исследование турбулизации однофазных потоков, а также двухфазных (то есть содержащих взвешенные вещества), с оценкой эффективности транспортировки ими твёрдых фракций различного гранулометрического состава, осуществлялось на специальной установке (рис. 1) [9].

Исследование текстуры донной части открытых водосточных лотков. 4/2020. Фото 1

Принцип работы устройства: на лоток с определённым рельефом поверхности, при устанавливаемых уклонах, из ёмкости подаётся жидкость, содержащая инородные включения. При движении потока включается источник светового излучения и при различных вариантах уклона лотка и трубного модуля соответствующими фотокамерами фиксируется его фронт (высота слоя, наполнение), характер и геометрические размеры (длина, ширина и площадь зон турбулентности).

На базе светотеневого эффекта, создаваемого источником излучения над поверхностью потока, производится анализ эффективности транспортирующей способности потока по выносу разнодисперсных инородных предметов в сетчатый уловитель на единицу площади или длины текстурированной поверхности.

Экспериментальные исследования на стенде преследовали цель описать возникающие вихревые течения жидкости при встрече с препятствиями и предложить варианты оптимальной текстуры донной поверхности лотков и труб для повышения эффекта транспортирующей способности. Аппаратурой для фиксации результатов стендовых исследований служили встроенные в стенд видеои фотокамеры, позволяющие осуществлять фронтальную и коаксиальную съёмку потока на лотке. В частности, использовались видеокамера Sony (модель HDR-CX250E), зеркальный фотоаппарат Sony 550 (с объективом DT 1.8/50 SAM).

Необходимо отметить, что теоретическое определение гидродинамических характеристик представляет большие трудности не только в математическом отношении, но и в постановке самой гидродинамической задачи. Отсюда теоретические методы требуют ряд допущений и ввода ряда упрощений.

При проведении данных экспериментов вихревые потоки в пределах препятствий исследовались путём визуальной фиксации дорожек Кармана. Однако для усиления отслеживания характера турбулизации использовался также эффект преломления отражённой на поверхности воды линии тени, возникающей благодаря двум установленными параллельно лампам специального светильника. В результате явление вихреобразования фиксировалось в виде деформации линии тени, классифицируя его как ламинарное, вихревое или когерентное. Эксперименты проводились как при стационарном расположении кинокамеры коаксиальной съёмки потока, так и при её перемещении по направлению потока для выявления зон наибольшей турбулизации между препятствиями.

Результаты исследований

В качестве результатов исследований произведён анализ характера вихреобразования в однофазных потоках и перемещения твёрдых фракций различного гранулометрического состава в двухфазных потоках при различных наполнениях. Характер вихреобразования определялся путём визуальной фиксации преломления отражённой на поверхности воды линии тени (теневой дорожки) от специальных светильников.

При этом были проведены эксперименты в двух режимах, то есть с использованием однои двухфазного потоков. В качестве препятствий, формирующих искусственную текстуру внутренней поверхности лотка, использовались, в частности, бруски в виде параллелепипеда и цилиндра, призм и гаек, препятствия в форме перевёрнутого шарового сегмента и ряд других. Некоторые типы лотков с искусственной текстурированной поверхностью представлены на рис. 2.

Исследование текстуры донной части открытых водосточных лотков. 4/2020. Фото 2

Металлические и полимерные предметы-препятствия располагались как по центру лотка, так и с относительным смещением (малым и большим) от оси лотка для выявления размеров (характера, длины, ширины, площади зоны возмущения) вихрей (за предметом) и подпора в виде «ряби» перед следующим препятствием (характера, длины, ширины, площади зоны возмущения).

При проведении экспериментов в первом режиме исследованию подлежало значительное количество искусственных препятствий.

На рис. 3 в качестве примера представлена визуальная характеристика потока на открытом лотке с препятствиями из мини-пирамид (размеры сторон 4×4 мм, высота 3 мм) с отражённой теневой дорожкой при ламинарном режиме течения (скорость 0,166 м/с), турбулентном (скорость 0,222 м/с) и когерентном (скорость 0,303). Согласно экспериментальным данным, представленным на рис. 3, значительная турбулизация потока при указанном типе препятствий возможна при скоростях течения порядка 0,3 м/с.

Исследование текстуры донной части открытых водосточных лотков. 4/2020. Фото 3

В качестве примера в табл. 1 приведены данные по гидравлическим характеристикам потока, проходящего через структурированную поверхность, образуемую двумя подобными препятствиями с лобовой и заострённой частями к направлению потока.

Исследование текстуры донной части открытых водосточных лотков. 4/2020. Фото 4

Препятствия представляли собой клинья из полиэтилена длиной 20 мм и переменной высотой (заострённая 1 мм и лобовая часть 4 мм) с расположением в виде «прямой» и «обратной» ёлочек.

Эксперименты показали, что принципиальных отличий в характере течения при расположении препятствий в виде прямой или обратной «ёлочки» не существует. Это явилось весомым аргументом расширения диапазона исследований по транспортировке твёрдых включений на двухъярусной конструкции препятствий, включающей комбинацию прямой и обратной «ёлочек».

На рис. 4 представлены результаты экспериментов по исследованию динамики выноса песка (фракцией 0,3 мм) при наличии второго слоя препятствий, то есть комбинированного расположения препятствий и увеличении наполнения и скорости течения 1–6 в диапазоне от 0,1 до 0,35 м/с шагом 0,05 м/с. Результаты экспериментов показали, что вынос песка происходит путём формирования гряды в месте уреза воды между вторым рядом препятствий 1 и 2, по оси лотка начинается смыв песчаной массы 3, кроме слежавшегося песка 4. При увеличении скорости до 0,3 м/с наблюдается полный вынос песка во втором ряду 5 и практически полный вынос при скорости 0,35 м/с (поз. 6). Таким образом, наличие структурированной поверхности позволяет транспортировать выпавшие в донной части песчаные включения при скоростях ниже самоочищающих (0,7 м/с) в два раза.

Выводы

1. Разработана и испытана новая конструкции малогабаритного опытного стенда для исследования транспортирующей способности открытых лотков с нанесёнными на их внутреннюю поверхность материалов с соответствующей текстурой в виде препятствий, создающих вихреобразование в потоке жидкости.

2. Представлены результаты исследований по динамике изменения характера однофазного потока и эффективности выноса инородных включений при комбинированном расположении препятствий в случае двухфазного потока с учётом деформации линии тени на текстурированной поверхности.

3. Определена возможность повышения транспортирующей способности лотков за счет текстурированных поверхностей при скоростях ниже самоочищающих.

4. Совершенствование текстуры лотков и самотёчных трубопроводов возможно при реализации ремонтно-восстановительных работ путём нанесения полимерных защитных покрытий соответствующего рельефа.

5. Совершенствование текстуры лотков и самотёчных трубопроводов возможно при реализации ремонтно-восстановительных работ путём нанесения полимерных защитных рукавов с соответствующим рельефом поверхности.