Водовыпуск прямых и геликоидальных труб
| Водовыпуск q л/сек | Скорость течения V см/сек | h см | ДА см | h-iJi см | ||
| 1) Экспериментальная установка без труб, но с коническим водозабором и водовыпуском тестируемой трубы и с резиновым шлангом 19 мм в лиаметое | 0,148 ОД 66 0,187 0,215 0,231 0,247 | 52,3 58,7 66,1 76,0 81,6 87,3 | 7,35 8,81 10,70 12,85 15,30 17,48 | 0,32 0,49 0,60 0,70 0,80 1,10 | 7,03 8,32 10,10 12,15 ■ 14,50 16,38 | |
| 2) Спиралевидная геликоидальная медная труба приблизительно 1,45 м длиной с площадью поперечного сечения 5,05 смг | 0,130 | 25,7 | 6,0 | 0,34 | 5,66 | |
| 0,168 | 3,93 | 10,05 | 0,47 | 9,58 | ||
| 0,206 | 40,8 | 13,7 | 0,62 | 13,08 | ||
| 0,215 | 42,6 | 15,7 | 0,70 | 15,00 | ||
| 0,234 | 46,3 | 18,0 | 1,20 | 16,80 | ||
| 0,250 | 49,5 | 19,8 | 1,36 | 18,44 | ||
| + 0,283 | 56,1 | 21,2 | 2,15 | 19,95 | ||
| 0.294 | 58.3 | 22.1 | 1,55 | 20.55 | ||
| + Данные получены в ходе различных серий экспериментов | 0,303 | 60,06 | 24,55 | 1,85 | 22,70 | |
| 0,319 | 63,38 | 26,9 | 2,05 | 24,85 | ||
| + 0.320 | 63.4 | 25.7 | 2,9 | 22.8 5,0 | ||
| 3) Прямая медная труба. диаметр 2,54 см, длина 1,45 м | 0,123 | 24,4 | 5,3 | 0,30 | ||
| 0,177 | 34,6 | 16,4 | 0,50 | 9,9 | ||
| 0,211 | 41,7 | 15,6 | 0,65 | 14,95 | ||
| 0,246 | 48,7 | 20,2 | 0,85 | 19,75 | ||
| 0.288 | _57,Q___ 21,0 | 25.5 | 1,20 | 24.70 | ||
| 4) Прямая стеклянная труба, диаметр 2,54 см, длина ] ,45 м | 0,106 | 5,5 | 0,25 | 5,25 | ||
| 0,155 | 30,7 | 16,5 | 0,30 | 10,20 | ||
| 0,192 | 38,0 | 15,6 | 0,55 | 14,75 | ||
| 0,222 | 43,9 | 19,6 | 6,60 | 19,00 | ||
| 5) Гладкая коническая медная труба, длина 1,45 м | 0.275 | 54.4 | 25.3 | 0.85 | 24.45 ( | |
| 0,073 | 5,65 | 0,20 | 5,45 , | |||
| 0,1035 | 9,80 | 0,22 | 9,58 | |||
| 0,1200 | 14,65 | 0,20 | 14,45 | | |||
| 0,1445 | 20,70 | 0,30 | 20,40 | | |||
| 0.1555 | 24J5 Г 4,60 | 0,42 0,15 | 24.33 | | |||
| 6)Коническая спиралевидная геликоидальная медная труба, длина 1,45 м | 0,0525 | 4,45 1 | ||||
| 0,0820 | 9,30 | 0,23 | 9,07 I | |||
| 0,1075 | 14,25 | 0,30 | 13,95 | | |||
| 0,1320 | 20,55 | 0,38 | 20,17 J | |||
| 0.1565 | 26,40 5,35 | 0,62 | 25.78 I | |||
| 7) Прямая коническая геликоидальная медная труба с большим поперечным сечением, длина 1.45 м | 0,0565 | 0,17 | 5,18 | | |||
| 0,0844 | 10,70 | 0,32 | 10,38 | | |||
| 0,1060 | 15,20 | 0,38 | 14,82 | | |||
| 0,1240 | 20,40 | 0,22 | 2U8;j | |||
| 8) Прямая коническая геликоидальная медная труба с меньшим поперечным сечением, длина 1.45 м | 0,0292 | 5,90 | 0,10 | 5,80 j | ||
| 0,0438 | 10,70 | 0,10 | 10,60 i | |||
| 0,0545 | 15,7 | 0,10 | 15,20 | | |||
| 0,0665 | 20,70 | 0,13 | 20,57 J | |||
| 0,0_788 j | 26,40 | 0,18 | 26.22 f | |||
Таблица 2 Подо вы пуск н потери, связанные с силой трения прямых и спиралевидных труб из меди и стекла
| Водовыпуск | Потери, связанные с силой трения в | Прямая стеклянная трубя | ||
| спиралевидных геликоидальных | прямых | |||
| медных тоубах | ||||
| л/сек | см см | СМ | ||
| 0.12 | 0.10 | 0,5 | 1.85 | |
| 0,13 | 0.19 | 0.20 | 2.07 | |
| 0,14 | 0.00 | 0.23 | 2.20 | |
| 0.15 | 0,40 | 0.33 | 2.48 | |
| 0.16 | 0,95 | 0.45 | 2.85 | |
| 0.17 | 0.95 | 0.70 | 3.25 | |
| 0.18 | 0.65 | 1.20 | 3.75 | |
| 0.19 | 0.45 | 1.85 | 4.25 | |
| 0.20 | 0.95 | 2.25 | 4.65 | |
| 0.21 | 2.05 | 2.55 | 5.05 | |
| 0.22 | 2.50 | 2.65 | 5.30 | |
| 0,23 | 2.45 | 2.95 | 5,45 | |
| 0.24 | 2.10 | 3.10 | 6.00 | |
| 0.25 | 1.70 | 3.24 | ||
| 0.26 | 1.25 | 3.35 | 5.60 | |
| 0.27 | 0.80 | 3.50 | 6.20 | |
| 0.28 | 0,35 | 3,75 . | 6.65 | |
| 0.29 | 0.00 | 4,00 | 7.00 j | |
| 0.30 | 0.00 | 4.30 | 7.30 | |
| 0.31 | 0.10 | |||
| 0.32 | 0.80 | j 4.90 | 7.30 | |
| ! 0.34 | 3.50 | 4.90 | i | |
| 0.36 | 4.60 | 4.90 | ||
| 0.38 | 3.70 | 5.05 | ||
| 0.40 | 2.50 | 5.38 | i | |
| 0.42 | 1.60 | 5.80 | ||
| 0.44 | 0,70 | 6.50 | ||
Соединительные линии взаимосвязанных измеренных величин водозабора и водовыпуска экспериментальной установки № 1, так же как соединительные линии прямых стеклянных и медных труб, имеют точно такие же направле юсходят по величине значения спиралевидных геликоидальных труб, тоже отображают характерные колебания по-ледних. Результаты измерений, полученные таким образом, затем использовались для определения потерь, вязанных с силой трения в тестируемых трубах длиной ,45 м, как обозначено на чертеже 7, каждая из ординат гежду q — h-линиями экспериментальной установки и тес-ируемых труб установлена и отображена в таблице 2.
- 
Чертеж 7
На чертеже 8 водовыпуск трубы графически отображен в 1екартовой системе координат, основанной на значениях илы трения и соответствующих измеренных значениях во-ювыпуска, соотносимых вертикально и горизонтально. Хо-юшо заметно, что все линии соединения отображают ха-гактерный колеблющийся курс, который наиболее ясно [рослеживается в случае со спиралевидной геликоидальной рубой (№ 2).
Бесспорно, исходя из конфигурации трех кривых на графике можно сделать вывод, что при равных значениях силы рения спиралевидная геликоидальная медная труба имеет юлыпую продуктивность, чем прямая медная труба с той же ушной и таким же поперечным сечением. Эти результаты, ie применимые относительно турбулентного потока, в на-тоящий момент считаются верными, однако могут рассматриваться как подтверждение гипотез, выдвинутых на ►сновании процессов течения, развивающихся в прямых рубах благодая винтообразному притоку воды.
С синхронизацией скорости и формы потока в спирале-1идной или спиралевидной геликоидальной трубе было за-1етно фактичекое уменьшение силы трения до нуля.
Полное исчезновение силы трения может происходить, :огда кинетическая энергия воды, текущей в спиралевид-юй геликоидальной трубе, взаимодействует с ее спирале-идным движением, образующимся во входном отверстии ши благодаря нарезке на стенах трубы. Взаимодействие юспроизводит пространственные колебания воды, точно оответствующие закрученной конфигурации испытатель-юй трубы
В этой связи, однако, центростремительно направленная сила всасывания, являющаяся результатом закручивания течения, также вносит определенный вклад. Относительно экспериментальных моделей, исследованных в вопросе 1, фактически воздействие этой силы настолько велико, что подвешенные за один конец шелковые нити были скручены в трехмерную пространственную спираль, соответствующую форме потока, несмотря на гравитационные силы притяжения, действующие на них. Следует принимать во внимание, что те же самые слабо изогнутые потоки с сильным, центростремительно направленным закручивающимся движением и сильно изогнутые потоки с меньшим закручи-ваючимся действием, наблюдаемым в вертикальной стеклянной трубе в испытательной установке 1, накладывались друг на друга, и это препятствовало их движению. В то же время кинетическая энергия воды образуется благодаря комбинации спиралевидной формы и нарезки через протекание воды по трехмерным спиральным и винтообразным стенкам трубы.
В случае со спиралевидной геликоидальной трубой (№ 2) имеют место следующие значения водовыпуска и скоростей потока.
Значение трения в спиралевидной геликоидальной трубе приближается к нулю:
когда q = 0,14 л/с или v = 0,28 м/с, и когда q = 0,19 л/с или v = 0,39 т/с, и когда q = 0,38 л/с или v = 0,60 м/с, и когда q = 0,46 л/с или v = 0,92 м/с и достигает максимального значения;
когда q = 0,127 л/с или v = 0,254 т/с, и когда q = 0,165 л/с или v = 0,330 м/с, и когда q = 0,225 л/с или v — 0,430 м/с, и когда q = 0,360 л/с или v =.....
В чертеже 9, который яшшется наиболее всесторонним вдполнением к чертежу 8, примечательно, что водовыпуск и гладких и прямых труб подвергается ритмичным колебани- ям, очень похожим на таковые у спиралевидной геликоидальной трубы. Это, по-видимому, объясняется тем, что вода спирально закручивается во время подачи на водозаборнике экспериментальной установки, и тем, что установка имеет U-образную форму. Направление линий соединения, соответствующих измеренным значениям, даже позволяет предположить, что здесь мы имеем дело с двумя связанными с водовыпуском колебаниями, расположенными одно на другом, которые, вероятно, являются результатом объединенного действия, относящегося к скручиванию движения и конфигурации испытательного стенда.
Кроме того, следует отметить, что q — h-линия прямой стеклянной трубы (№ 4) в диапазоне водовыпуска от 0,13 до 0,20 л/сек абсолютно точно следует за кривой, которая в соответствии с принципом Вайсбаха описывается отношением
Н = 118.x tf
В сразу следующем после этого диапазоне большего водовыпуска тем не менее q — h-линия стеклянной трубы отклоняется очень заметно от этого фундаментального уравнения Вайсбаха. Водовыпуски увеличиваются намного быстрее с увеличением значения силы трения, чем это ожидаемо согласно основному закону Вайсбаха. Это результат процесса закручивания потока на водозаборе и U-образ-ной формы испытательной установки.
Низлежащая часть q — h-линии для прямой медной трубы идет совершенно параллелью к q — h-линии стеклянной трубы; она смещается вниз относительно уровня трения h = 2,5 см. Потери, связанные с силой трения в медной трубе в области, где q = 0,13 кО, 20 л/сек, составляют толькоЬ=118х q2 — 2,5, несмотря на большую жесткость стен медной трубы по сравнению со стеклянной.
Это сокращение уровня трения при прохождении водных потоков через медные трубы может объяснить только тот факт, что медь более благоприятна для формирования закручивания потока, чем стекло. Как было уже обнаружено ранее, силы всасывания проявляются в потоке воды через это закручивающееся движение. Они и приводят к наблюдаемому сокращению трения. Величина этой всасывающей силы может быть условно определена посредством очень точного уменьшения трения, которое происходит самопроизвольно в областях с уменьшенным трением. Закручивающееся движение, рождающееся в медной трубе, производит дополнительную всасывательную способность А, где
А = 2,5 q в см г/сек в низлежащей области q — h-линия и которая даже повышается в дальнейшем с увеличением водовыпуска от 325 до 500 см г/сек.
Не боясь заблуждений, можно предположить, что основное уравнение Вайсбаха для трения в трубах также справедливо при значении водовыпуска больше, чем 0,2 л/сек, если на водозаборнике создается препятствие для образования закручивающегося движения. Отсюда возможно дальнейшее развитие параболы для уровня трения по закону h = 118 • q = 0,2 л/сек. Разница в ординатах между этими параболами и соединительными линиями трех тестируемых труб отражает уменьшение уровней трения, и, как следствие этого, также может быть определена сила всасывания, которую создает закручивающееся движение воды и которая, как описано выше, формирует основу для подсчета всасывающей способности.
Чтобы проиллюстрировать этот ход мыслей, следует сказать, что значение силы всасывания в зависимости от водовыпуска графически отображается на 10-м чертеже. С его помощью была определена всасывающая способность А и отражена в чертеже 11 в виде q — А-кривых в зависимости от водовыпуска.
В случае со стеклянной трубой всасываающая способность постоянно увеличивается вплоть до А = 850 см г/сек при водовыпуске q = 300 см3/сек. Медная труба поставляет почти тот же объем, а всасывающая способность в ней приближается к А= 1860 см г/сек. То есть материал, из которого сделана труба, может интенсифицировать всасывающую способность воды на 1860—850 = 1010 см г/сек. С водовыпу-ском, равным 310 смУсек, всасывательная способность спи ралевидных геликоидальных труб достигает своего максимального значения в исследуемой области измерения, а именно А = 310» 11,1 - 3450 см г/сек. Это в 4,05 раза больше, чем у стеклянной трубы, ив 1,85 раза больше, чем у прямой медной.
Чертеж 10
Направление q — h- и q А-линий в отношении трех тестируемых труб, показанное на чертежах 10 и 11, описывает ритмическое колебание тенденции возрастания, четко видны постоянные и уменьшающиеся значения всасывания с возрастанием водовыпуска.
В зонах возрастания значения всасывания и всасывающие способности, увеличивающееся благодаря многомерному закручиванию потока, всегда сильнее, чем значение трения, которое, согласно формуле Вайсбаха, увеличивает нормальное турбулентное течение в трубах. Интерпретация и оценка наблюдений, обозначенных выше, позволяет сделать гипотетическое заключение о том, что синхронизация кинетической энергии текущей воды дает больше энергии благодаря закручиванию труб, чем требуется для того, чтобы преодолеть воздействие силы трения. Так можно получить постоянно возрастающее ускорение воды.
Однако это ускорение не может принять безграничное возрастание, поскольку области возрастания силы всасывания периодически сменяют зоны постоянной или уменьшающейся силы. Эти смены происходят только тогда, когда превышен оптимальный уровень синхронизации всех потоков, что приводит к усилению поступательного компонента движения при ослаблении вращательного и колебательного движений. В результате происходят различные асинхронные комбинированные действия налагающихся друг на друга кинетических процессов.
Направление кривых показывает, что в изученной области измерений они состоят из относительно длинных участков, на которых возрастает всасывающая способность, которые прерываются более короткими участками постоянной и уменьшающейся всасывающей способности. В областях постоянного увеличения значения силы всасывания прирост энергии, воникающий благодаря закручиваюшемуся движению воды — его можно наблюдать в стеклянной трубе, — настолько же велик, как и энергия, которую потребляет нормальный турбулентный поток. Однако прирост энергии в случае с медной трубой может быть намного большего значения, чем нормальное потребление энергии в турбулентном течении.
Чертеж 11
В зонах уменьшения значения силы всасывания и всасывающей способности кинетическая энергия текущей и вращающейся воды не синхронизирована с колебательными движениями. Через это интенсифицируется турбулентность потока до такого уровня, что потребление энергии, требуемой для передвижения воды в трубах, намного больше, чем прирост энергии, получающийся благодаря закручивающемуся движению.
Таким образом, нельзя игнорировать тот факт, что данные наблюдения могут не соответствовать реальности. Но их использовали с тем, чтобы получить примерные представления о величине сил, рождаюших феномен закручивающегося движения. Дальнейшие эксперименты должны пролить свет на их силу и влияние. Вообще, применение уже известных явлений на практике вполне осуществимо и должно не просто принести пользу, а совершить революционный переворот в сфере транспортировки газов и жидкостей.
Направления q — h, q — Н, q — А позволяют признать превосходство спиралевидных геликоидальных труб vis-a-vis медных прямых труб и непригодность стеклянных. Вкратце ответ на вопросы 2 и 3 можно сформулировать следующим образом: форма и материал труб имеют решающее значение для формирования завихряющегося движения и влияют насилу всасывания и всасывающую способность течения.
К вопросу 4.