ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБНОГО СТАВА
2.1. Цель исследования
Трубная система добычи полезных ископаемых со дна Мирового океана представляет
собой сложную конструкцию в виде пакета трубопроводов, состоящего из
центрального добычного трубопровода, по которому транспортируется пульпа, и
нескольких вспомогательных трубопроводов другого функционального назначения
(газовод, трубопроводы управляющих и энергетических кабелей и пр.)
Доминирующим является добычной трубопровод, который является и основным силовым
элементом системы. Дополнительные трубопроводы имеют значительно меньшие
диаметры и крепятся к центральному трубопроводу. Наличие в пакете нескольких
трубопроводов различного диаметра приводит к несимметрии его поперечного
сечения, вследствие чего элемент пакета при любом направлении набегающего
потока испытывает кроме силы сопротивления также боковую силу и крутящий
момент.
В настоящее время единственным средством определения аэродинамических сил для
тел сложного поперечного сечения является эксперимент в аэродинамических трубах
(или в гидродинамических установках) на масштабных моделях.
Поэтому, для определения аэрогидродинамических характеристик элементов трубного
става системы добычи полезных ископаемых были предприняты широкомасштабные
систематические исследования гидродинамических моделей трубного става в
аэродинамической трубе Т–5 кафедры аэрогидромеханики ДНУ.
Цель исследования состояла, во-первых, в определении фактических значений
аэрогидродинамических коэффициентов сил элементов става заданных компоновок и,
во-вторых, в параметрическом исследовании влияния различных геометрических и
кинематических параметров на эти коэффициенты.
Ориентировочные размеры трубопроводов става были получены по результатам
предварительного гидравлического и прочностного расчета такой установки на
производительность добычи полезного продукта (железо-марганцевых конкреций)
порядка @ 7,8 кг/с с глубины Н ~ 6000 м [2, 20, 60, 61, 81].
Исследованию были подвергнуты одиночный цилиндр, пакет цилиндрических элементов
в целом, а также отдельные цилиндры в составе пакета и другие элементы
погружных конструкций (платформа, стыковые узлы и пр.) при поперечном и косом
обтекании.
В частности, были выполнены исследования по определению зависимости
коэффициента силы сопротивления цилиндра от степени шероховатости поверхности
(с целью прогноза влияния естественной коррозии трубного става и обрастания его
микроорганизмами на необходимое усилие, затрачиваемое плавсредством на его
транспортировку через толщу океана), а также от интенсивности турбулентности
набегающего потока.
Исследования выполнены во всем диапазоне чисел Рейнольдса, доступных для
аэродинамической трубы Т–5.
Кроме того, с целью обнаружения возможных случаев возникновения различных видов
аэрогидроупругой неустойчивости и выявления влияния схемы компоновки пакета на
его склонность к неустойчивости, был выполнен ряд динамических испытаний,
которые по отношению к реальной конструкции следует рассматривать как
качественные.
В настоящей диссертации приведены только отдельные, наиболее характерные
результаты выполненного исследования.
2.2. Аэрогидродинамические характеристики одиночного
цилиндрического тела
В настоящем параграфе приведены основные данные по определению сопротивления
круговых цилиндров при поперечном и косом (наклонном) обтекании, полученные в
результате указанных систематических аэрогидродинамических экспериментальных
исследований в трубе Т–5.
Аэродинамическая модель для исследования поперечного обтекания цилиндра
представляла собой элемент стальной трубы с внешним диаметром d = 100 мм и
длиной L = 450 мм. Для реализации условий плоскопараллельного обтекания данного
элемента в аэродинамической трубе модель снабжалась двумя аэродинамическими
шайбами, в виде достаточно тонких жестких металлических дисков, закрепленных на
торцах (рис.2.1, а). Дополнительная сила сопротивления шайб учитывалась за счет
отдельной продувки шайб в присутствии модели, как указано в Приложении №1.
Для исследования косого обтекания цилиндра использовалась модель цилиндра с
удлинением = 15, плоские торцы которого были скруглены в виде полусфер, чтобы
уменьшить концевые эффекты (рис.2.1, б). В силу значительного удлинения модели,
влиянием концевых эффектов перетекания на значение аэрогидродинамических
коэффициентов этой модели, по оценкам, можно было пренебречь.
Моделирование турбулентности осуществлялось при помощи турбулизирующих сеток,
которые устанавливались в выходном сечении сопла аэродинамической трубы.
Интенсивность турбулентности характеризует наличие пульсаций скорости
набегающего потока и определяется величиной:
, (2.1)
Рис. 2.1. Экспериментальные модели для поперечного (а)
и косого (б) обтекания цилиндра
где – среднеквадратичная пульсация скорости, [38].
Шероховатость поверхности моделировалась при помощи наждачной бумаги, которая
наклеивалась на поверхность цилиндра. Средняя высота шероховатости h
определялась крупностью песчинок наждачной бумаги. Степень шероховатости
поверхности тела характеризуется величиной относительной шероховатости:
, (2.2)
где d – диаметр цилиндра.
Коэффициент силы сопротивления при поперечном обтекании определялся как:
, (2.3)
где: Х – экспериментальное значение силы сопротивления цилиндра (с учетом
поправки на сопротивление державки);
– скоростной напор;
– скорость набегающего потока (в выходном сечении сопла трубы);
– плотность потока (плотность атмосферного воздуха при температуре и давлении в
лаборатории