За течением воды в прямых трубах наблюдали различными способами, и стало совершенно очевидно, что в таких трубах, начиная от самого водозаборника, более или менее интенсивно развивается спиралевидное движение, которое, в свою очередь, провоцирует закручивающееся движение на протяжении всей длины спирали, на которое накладывается течение на протяжении наиболее сильно закрученных изгибов спирали.
К вопросам 2 и 3.
Влияние формы и материала труб на образование и развитие завихряющегося движения
Наложение потоков друг на друга, которое можно заметить на протяжении слабо или сильно закрученной спирали, вызывает их интенсивное сопротивление друг другу, так как по краям обоих течений образовываются воронки; кроме того, они различаются по скорости и направлению течения. Из этого процесса можно сделать логический вывод: увеличение водовыпуска в трубе может быть ускорено в том случае, если правильно ограничивать процесс взаимного влияния потоков друг на друга из-за образования воронки.
Так как благодаря ритмично изгибающейся форме в геликоидальных трубах автоматически возникает сильный спирально закрученный поток, они имеют большую пропускную способность, чем прямые трубки с той же площадью сечения при таких же остальных условиях.
Если процессы движения, возникающие по всей длине благодаря спиральным изгибам геликоидальной трубки, также синхронны с импульсами, которые возникают благодаря скорости сквозного течения, то, в случае с сильно изогнутой спиралевидной трубкой, вода начинает двигаться по геликоидальной конструкции, свободно колеблясь и осциллируя, то есть не касаясь стен трубы и не образуя затрудняющие течение отдельные воронки. В этом случае в результате действия многомерного закручивающегося движения стены трубы почти не будут омываться водой. Можно сделать следующее гипотетическое умозаключение: при особых условиях в геликоидальных трубах вполне реально свести на нет потери скорости, обусловленные трением, которые получаются в прямых трубах.
То же самое можно проделать с геликоидальными трубами, в которых внутри прямой трубы встроена форма слабо закрученной спирали, то есть завихренное движение воды обуславливается особой внутренней конфигурацией стен грубы. Такие винтообразные вставки, внедренные внутрь стенок прямых или изгибающихся геликоидальных труб, благодаря характеру течения нетолько будут способствовать формированию закручивающихся процессов, но и стабилизируют их полезную конфигурацию — как, например, в случае с нарезным стволом ружья.
Гипотезы и умозаключения, описанные выше в ответе на вопрос 1, были проверены на достоверность. Были произведены измерения воздействия сил трения и скорости водовыпуска в семи различных, прямых и спиралевидных, трубах с различным поперечным сечением и из различных материалов.
Из сосуда с постоянно поддерживающимся уровнем воды экспериментальной установки № 1 вода проводилась в трубки для того, чтобы исследовать ее при помощи резинового шланга 19 мм в диаметре. Такого же диаметра резиновый шланг служил для того, чтобы подводить воду к контрольному створу. Конструкция состояла из трубы водовыпуска, которая конически расширялась во внутреннем диаметре с 20 мм до 40 мм и имела два штуцера для подсоединения к аппаратам, измеряющим понижение давления (чертежи 3 и 4). Труба водовыпуска подсоединена к трубе, направляющей воду в водосбор. Для измерения времени, за которое вытекающая через трубу вода полностью заполняла 15-литровый измерительный сосуд, был использован секундомер, и исходя из полученного результата подсчитывалась скорость течения. Гидростатический напор определяли при помощи трех измерительных труб, которые напрямую примыкали к контрольному створу. Таким образом, постоянно контролировалась разность в высоте h между уровнем воды в сосуде и на водовыпуске. Кроме того, измерялась разница давлений, возникающая во время протекания воды по трубе водовыпуска.
Устанавливаемые таким образом расходы воды q зависят от величины силы трения, и на чертеже 5 представлены графики этой зависимости. Для построения графиков использовалась двойная логарифмическая система координат. Принимая во внимание различные поперечные сечения f различных тестируемых труб, в данном случае скорость течения v не была графически отражена в двойной логарифмической форме. На графике был отражен измеренный расход воды, который получили, измеряя различия уровней воды в высоте h. Линии, соединяющие взаимосвязанные величины, которые можно вкратце называть q — h-линии, должны быть прямыми, если основываться на формуле Вайсбаха, согласно которой Согласно этому базисному уравнению измеренные величины труб с одинаковыми поперечными сечениями и с одинаковой шероховатостью стен трубы должны, таким образом, находиться на прямой линии. В случае различных сечений значения величин, естественно, смещаются на величину, пропорциональную.
Как показано на чертеже 5, q — h-линии различных испытываемых труб фактически очень сильно отклоняются от прямой и показывают характерный курс колебаний, как, например, в случае со спиралевидной геликоидальной медной трубой (тестируемая труба № 2), относительно которой не исключена возможность, что определяемые параметры не были установлены с достаточной точностью.
Гладкие прямые медные трубы с неизменным (тестируемая труба № 3) и коническим (тестируемая труба № 5) сечением — из всех лучше всего соответствуют постулату гидравлики h — с х q2. В случаях с другими испытательными трубами, кроме колеблющегося направления кривых, направление соединяющих линий характеризуется отношением, в котором экспонент q меньше 2. Для испытательной установки (тестируемая труба № 1) непосредственно, также как и в тестируемой трубе № 2 (спиралевидной геликоидальной трубе), тестируемой трубе № 4 (прямая стеклянная труба) и тестируемой трубе № 7 (прямой конической геликоидальной трубе с большим поперечным сечением), экспонент уменьшился бы до 1,67. В случае с тестируемой трубой № 6 (коническая спиралевидная геликоидальная труба) он фактически уменьшается до 1,57, и с тестируемой трубой № 8 (прямой конической геликоидальной трубой — меньшее поперечное сечение) он достигает самого низкого значения — 1,51. Это позволяет сделать заключение, что извивание и скручивание труб могут оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное влияние на процессы течения благодаря изменению скорости основного потока.
Если, например, рассматриваются тестируемые трубы № 6 и 5, которые имеют одинаковую длину и коническую форму поперечного сечения, то значение измеренных величин и положение соединяющих линий в этих случаях будут свидетельствовать о том, что изгибы и скручивание в тестируемой трубе № 6 при измерении оказывают неблагоприятный эффект на ее полезность. Прямая коническая медная труба с гладкими стенками (№ 5) при том же самом различии в высоте водных уровней поставляет воды больше, чем геликоидальная труба. Различие в водовыпуске, кстати, постоянно уменьшается по мере увеличения различий в высоте и при значении h = 28 см полностью сводится на нет. При больших различиях в высоте геликоидальная труба (№ 6) поставляет больший объем воды, чем прямая медная труба (№ 5). То же должно быть применимо к тестируемой трубе № 7, qJ = 0,17 л/сек, что, согласно предположению, превышает q прямой, гладкой медной трубы (№ 5) в точке, где h = 30 см. Сейчас это может быть подтверждено доскональным анализом измеренных данных труб № 2, 3,4. Упрямой стеклянной трубы (№ 4) при равном различии в высоте h всегда при любых условиях значение меньшее q, чем у прямой медной трубы (№ 3) и спиралевидной геликоидальной медной трубы, но вплоть до различия в высоте 10,5 см труба № 3 поставляет воды больше, чем спиралевидная геликоидальная труба (№ 2). Отсюда можно сделать вывод, что работа спиралевидных геликоидальных труб всегда эффективнее.
Выводы, сделанные из направления соединяющих линий измеренных параметров труб № 5,6 и 7 и касающиеся благоприятного влияния закручивания этих труб на поток, что находится вне области измерения, также справедливы для тестируемых труб № 2,3 и 4 по установленным измеренным параметрам. Изменения от неблагоприятных до благоприятных влияний на поток, вызванные закручиванием труб, — как ожидается, принадлежат области измерения данных труб № 5,6 и 7 по сравнению с прямыми, гладкими трубами, уже имеют место в случае с тестируемыми трубами № 2, 3 и 4 и находятся в пределах области измерения. Поэтому следует подвергнуть эти испытательные трубы полному анализу.
Из данных таблицы 1 становится ясно, что градиенты давления, значения h и величина водовыпуска не имеют никакой единой тенденции. Чтобы определить, являются ли наблюдаемые отклонения результатом погрешностей в измерении, значения, основанные на величине водовыпуска, были отображены в виде графиков (чертеж 6) в двойной логарифмической системе координат. Следует принимать во внимание, что линии соединения измеренных значений прямой медной трубы (№ 3) и прямой стеклянной трубы (№ 4) имеют ту же тенденцию, что и данные спиралевидной геликоидальной трубы (№ 2), а также у испытательной установки (№ 1), а с другой стороны, отображают характерные колебания.
