Диссертация (1172908), страница 13
Текст из файла (страница 13)
В ресиверекомпрессором создавалось давление в 4 кг/см2. С помощью кнопок управлениямодельный резервуар под этим давлением поршнем опускался на уплотнительноерезиновое кольцо, встроенное в основание лабораторного стенда, тем самымобеспечивая герметичность конструкции. Внутрь модельного резервуара устанавливалась вкладка из монолитного поликарбоната.
Модель резервуара заполняласьводой до уровня 0,285 м, при этом вкладка плотно прижималась к стенкам резервуара, повторяя его оболочку. В ресивере компрессором создавалось рабочее давление в 6 кг/см2. С помощью кнопок управления модельный резервуар под этимдавлением поршнем резко поднимался вверх при этом, под гидростатическимдавлением столба воды, вставка раскрывалась на 180о, имитируя разрушениестенок резервуара с образованием волны прорыва и ее свободным истечениемпо трассе растекания.Выравнивание основания лабораторного стенда относительно горизонтавыполнялась с помощью встроенных в него двух пузырьковых уровня с точностью 0,057° = 1 мм на 1 м каждый.
Уровень воды в модельном резервуаре измерялся линейкой с точностью 0,001 м. Процесс образования и распространенияволны прорыва по трассе растекания регистрировался цифровой фотокамероймарки Nikon 1J1, позволяющей создавать 5-ти секундные видеоролики с замедленной съемкой формата HVGA 640х240/400 кадров/с. На рисунке 2.20 представлены характерные кадры видеосъемки при проведении эксперимента.79№ кадра 644lн = 0,2 мtн = 0,098 c№ кадра 660lн = 0,3 мtн = 0,138 c№ кадра 690lн = 0,4 мtн = 0,213 c№ кадра 722lн = 0,483 мtн = 0,293 c№ кадра 750lн = 0,533 мtн = 0,363 cРисунок 2.20 – Характерные кадры видеосъемки разрушения резервуарав масштабе 1:30 к натурному РВС-700 м3 в соответствующие моменты времени80В результате выполненных экспериментов были получены следующиеданные (таблица 2.3), необходимые для сравнительного анализа с аналогичнымиданными, полученными при проведении натурного опыта (см.
таблицу 2.1).Таблица 2.3 – Параметры потока при разрушении резервуара в масштабе 1:30к натурному РВС-700 м3 и соответствующие критерии подобияlм, м0,2000,3000,4000,4830,533tм, с0,0980,1380,2130,2930,363uм, м/с2,0512,1821,8821,6521,471Frм13,0014,7010,958,436,69Shм6,069,0912,1214,6516,16Reм6769272000621185453048552В таблице 2.4 представлена сравнительная характеристика критериевподобия, полученных соответственно при обработке данных натурного опытаи лабораторного эксперимента.Таблица 2.4 – Сравнительная характеристика критериев подобияlн, м6,09,012,014,516,0Натурный опыт(см. таблицу 2.1)Frн12,9015,3510,198,376,52Shн6,009,0012,0014,5016,00Лабораторный эксперимент(см. таблицу 2.3)lм, мFrмShм0,20013,006,060,30014,709,090,40010,9512,120,4838,4314,650,5336,6916,16Анализ данных, представленных в таблице 2.4, позволяет сделать общийвывод о тождественности рассматриваемых критериев подобия (Frм ≈ Frн = idem;Shм ≈ Shн = idem), следовательно, поток, образующийся при разрушении модельного резервуара является подобным потоку, образующемуся при разрушениинатурного резервуара.
Кроме этого, из данных таблицы 2.3 видно, что числаРейнольдса в рассматриваемом диапазоне изменения параметров модельногопотока больше критического значения (Reм Reкр = 10000), следовательномодельный поток также как и натурный находится в турбулентном состоянии.81Необходимо также отметить, что при разработке лабораторного стендамасштаб модельного резервуара принят 1:30 по отношению к натурному резервуару типа РВС-700 м3. Наименьший допустимый масштаб модели, исходя из зависимости (2.18), составляет:λ мин (30 50)3 uн2 hн2 303 82 12 120 .Таким образом, условие масштаба моделирования соблюдается.Наконец, вследствие того, что скорость потока воды при проведении экспериментов на лабораторном стенде (см.
таблицу 2.3) более чем в 6 раз превышалакритическое значение, равное 0,23 м/с, то можно утверждать о несущественномвлиянии сил поверхностного натяжения и отсутствии необходимости увеличиватьмасштаб модели, то есть условие волнообразования соблюдается.Таким образом, соблюдение выше рассмотренных критериев подобияи условий моделирования гидравлических явлений позволяет сделать общийвывод о том, что изучаемый процесс находится в автомодельной области, а разработанный лабораторный стенд может использоваться для нахождения оптимальных геометрических параметров защитной стенки резервуаров номинальнымобъемом 700 м3 [104]–[106].2.3.2 Оценка параметров потока при разрушении резервуара в масштабе 1:130к натурному резервуару номинальным объемом 30000 м3С целью подтверждения возможности использования разработанного лабораторного стенда для изучения влияния волны прорыва на защитную стенкурезервуаров номинальным объемом до 30000 м3 выполнена серия опытов по свободному истечению потока жидкости (без защитной стенки) при разрушениирезервуара, выполненного в масштабе 1:130 (предельный для данной конструкциистенда масштаб) по отношению к натурному РВС-30000 м3 [107], [108].82Поскольку исходный модельный резервуар лабораторного стенда имеетдиаметр 0,35 м и высоту 0,30 м и жестко закреплен на направляющих стенда,то при моделировании натурного резервуара типа РВС-30000 м3 с сохранениембазового диаметра (0,35 м) соблюдение условия геометрического подобия обеспечивали соответствующим уровнем жидкости в модельном резервуаре.
С учетомзаполнения натурного резервуара на 95 % (уровень жидкости 17,1 м) в масштабе1:130 уровень жидкости в модельном резервуаре составит 0,132 м.Методика проведения экспериментов первой серии опытов по оценкевысоты потока заключалась в следующем. На основании лабораторного стенданепосредственно от стенки модельного резервуара по трассе растекания потокаобустраивалась вертикальная стенка, конструктивно выполненная из листовогоалюминия высотой 0,3 м и длиной 0,5 м.
Стенка имела толщину 0,0005 м, что непрепятствовало при проведении опытов прохождению вдоль нее потока. Дляфиксации высоты потока в соответствующие моменты времени на стенку предварительно была нанесена миллиметровая разметка с выделенными участками нарасстояниях lм = 0,077, 0,115, 0,154, 0,192 и 0,231 м, соответствующих в выбранном масштабе моделирования расстояниям lн (см. таблицу 2.2), а также первона-первоначальный уровень водыв резервуаре (0,132 м)чальным уровнем жидкости в резервуаре, равным 0,132 м (рисунок 2.21).вертикальная стенкас участками lмфрагмент модельногорезервуараРисунок 2.21 – Общий вид участка лабораторного стенда перед проведениемопытов по оценке высоты потока в соответствующие моменты временина расстояниях lм83Далее последовательность проведения экспериментов аналогична описанной в разделе 2.3.1 настоящей работы, при этом резервуар заполняли водойдо уровня в 0,132 м, предварительно установив внутри его обечайки вкладышдля имитации разрушения резервуара также высотой 0,132 м (рисунок 2.22).№ кадра 1041tм = 0,228 c№ кадра 1076tм = 0,316 c№ кадра 1111tм = 0,404 c№ кадра 1146tм = 0,491 cРисунок 2.22 – Характерные кадры течения жидкости при разрушении резервуарав масштабе 1:130 к натурному РВС-30000 м3 в соответствующие моменты времени84Процесс образования и распространения потока по трассе растекания такжерегистрировался цифровой фотокамерой марки Nikon 1J1.
Полная раскадровкавидеороликов позволяла устанавливать начальный кадр разрушения модельногорезервуара с образованием волны прорыва, а также фиксацию количества кадровпри прохождении потоком соответствующих участков по трассе растекания (lм),что в конечном счете давало возможность оценивать высоту волны (hм) в любоймомент времени (tм) изучаемого процесса.Важно отметить, что время от момента разрушения модельного резервуарадо снижения уровня жидкости на основании лабораторного стенда в зоневозможной его инструментальной оценки (более 0,005 м) не превышало 0,5 с.Поэтому для оценки местной скорости потока использование приборного оборудования, например, микровертушки или трубки Пито с дифференциальным манометром, практически не представляется возможным. Данные обстоятельства обусловлены, во-первых, особенностями изучаемого процесса: быстроизменяющеесянеустановившееся движение с растеканием на открытой поверхности, в данномслучае, по основанию лабораторного стенда.
Во-вторых, конструктивнымиособенностями этих приборов. Так, например, использование гидрометрическоймикровертушки позволяет определять только среднюю скорость в потоке за определенный промежуток времени, как правило, превышающий 1 с [109]. Время жеотклика цифровых дифференциальных манометров, используемых в современныхмодификациях трубок Пито для измерений местной скорости, превышает 0,5 с[110].
Таким образом, в настоящих опытах для измерения местной скорости насоответствующих участках трассы растекания потока использовалась специальноизготовленная динамическая трубка Пито, представляющая собой Г-образнуютрубку, конструктивно выполненную из органического стекла наружным диаметром 0,007 м и толщиной стенки 0,001 м. Вертикальная часть трубки имела высоту0,3 м, а участок трубки загнутый под углом 90º имел длину 0,07 м.Вычисление скорости в месте установки динамической трубки производилось по формуле [95]:uТР =K 2 gH ТР ,(2.19)85где K – коэффициент, зависящий от вязкости жидкости и конструктивныхособенностей трубки и определяемый при тарировании трубки;HТР – скоростной напор, определяемый по уровню жидкости в трубке от поверхности потока, м.С целью нахождения коэффициента (K) была выполнена тарировка изготовленной трубки посредством сравнения результатов измерений средней скоростипотока, выполненных соответственно трубкой, и имеющейся в наличии тарированнойгидрометрическоймикровертушкойцифровоймодернизированной(ГМЦМ) типа «МИКРО-01» [109].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
