Гідравлічний розрахунок трубопроводів полягає у визначенні однієї величини при відомих трьох: витрата рідини, діаметр трубопроводу, довжина трубопроводу, втрати напору по трубопроводу.

Основними рівняннями, які використовують при гідравлічних розрахунках, є: рівняння нерозривності потоку, рівняння Бернуллі та рівняння для визначення втрат напору.

Розрізняють довгі трубопроводи, в яких втрати напору в місцевих опорах hм становлять менш як 0,05 від втрат напору по довжині hL, що дає можливість нехтувати ними, та короткі, в яких втрати напору в місцевих опорах становлять не менш як 5 % лінійних втрат (hм > 0,05 hL).

У випадку розрахунку коротких трубопроводів сталого діаметра повні втрати напору визначають як:

Σh = hL + hM.

Втрати напору по довжині при турбулентному режимі руху рідини визначають за формулою Дарсі-Вейсбаха.

Загальний коментар

Гідравлічний розрахунок трубопроводу є базовим і найбільш масштабним етапом проєктування та експлуатації будь-яких трубопровідних систем, який є розгалуженим комплексом інженерно-технічних та математичних процедур. Головний сенс цього процесу полягає у детальному кількісному описі внутрішнього стану потоку рідини, що рухається по закритому руслу, та визначенні оптимальних параметрів функціонування всієї споруди. При проведенні таких обчислень фахівці враховують величезний масив вхідних даних, серед яких фізико-хімічні властивості флюїду, такі як густина, температурне розширення та кінематична в'язкість, а також геометрію майбутньої траси з урахуванням рельєфу місцевості, штучних перешкод, заглиблення у ґрунт чи надземного прокладання на опорах. Ключовою метою розрахунку є досягнення балансу між технологічною надійністю та економічною доцільністю, адже від правильного підбору діаметра труби та кількості насосних станцій залежить як вартість металоконструкцій, так і собівартість перекачування. В інженерній практиці зазвичай вирішують три взаємообернені завдання: знаходження пропускної здатності для вже наявного діаметра та заданого початкового тиску, визначення необхідного діаметра труб під чітко встановлений плановий вантажопотік, або розрахунок сумарних втрат енергії для коректного вибору потужності відцентрових насосів із приводом від електродвигунів чи газотурбінних установок. Також розрахунок дозволяє моделювати нестаціонарні процеси, прогнозувати критичне підвищення тиску у разі повільного чи раптового закриття лінійних засувок і завчасно розробляти методи боротьби з руйнівним гідравлічним ударом.

У теоретичній та прикладній гідродинаміці існує чітка класифікація трубопроводів на дві великі категорії, що називаються довгими та короткими. Цей поділ є концептуальним і жодним чином не пов'язаний суто з кілометражем або географічною протяжністю об'єкта, а відображає внутрішній енергетичний баланс потоку і питому вагу різних видів гідравлічного опору. Короткими називають такі трубопровідні системи, у яких втрати напору, викликані місцевими опорами, мають суттєве значення і є порівнянними за величиною з втратами на тертя по довжині русла або навіть перевищують їх. До цієї категорії традиційно відносять складну внутрішню обв'язку технологічних об'єктів, комунікації всередині головних і проміжних нафтоперекачувальних станцій, нафтобазові резервуарні господарства, короткі всмоктувальні патрубки насосів, а також різноманітні сифони та пристрої для відведення стічних вод. У коротких трубопроводах кожен окремий елемент, будь то різкий поворот коліна, раптове розширення дифузора, конфузор, вентиль чи трійник, створює суттєві вихори та порушує стабільність течії, тому кожен такий опір детально розраховується індивідуально за допомогою спеціальних коефіцієнтів місцевого опору. Абсолютно протилежну картину демонструють довгі трубопроводи, до яких належать усі магістральні нафтопроводи, нафтопродуктопроводи та промислові чи міжпромислові системи. У таких спорудах втрати напору на подолання сил тертя об стінки труб настільки колосальні через гігантську протяжність, що місцеві втрати енергії на зварних стиках чи нечисленних лінійних засувках стають нікчемно малими на загальному тлі. Для спрощення математичного апарату при проектуванні довгих трубопроводів втрати у місцевих опорах не обчислюють поштучно, а враховують наближено, просто збільшуючи загальну розрахункову довжину або сумарні лінійні втрати напору на фіксовану надбавку в межах кількох відсотків від загального об'єму втраченої енергії.

Фундаментом для проведення будь-яких гідравлічних розрахунків є система взаємопов'язаних диференціальних та алгебраїчних рівнянь, які описують базові закони збереження маси, імпульсу та енергії для рухомого середовища. Першим обов'язковим інструментом є рівняння нерозривності, або суцільності потоку, яке базується на законі збереження маси і стверджує, що для стаціонарного руху нестисливої рідини об'ємна витрата залишається незмінною в будь-якому довільному перерізі. Це означає, що при звуженні трубопроводу швидкість руху флюїду зростає прямо пропорційно зменшенню площі перерізу, що дозволяє легко пов'язувати швидкісний режим із геометричними розмірами каналу. Другим і найважливішим є рівняння Бернуллі для рухомої рідини, яке є гідродинамічним виразом закону збереження енергії. Воно пов'язує між собою три складові повного гідродинамічного напору: геометричну висоту положення перерізу над площиною порівняння, п'єзометричну висоту, що відображає статичний тиск у цій точці, та швидкісний напір, який характеризує кінетичну енергію струменя. Рівняння Бернуллі наочно показує, як енергія тиску може переходити у кінетичну енергію швидкості, і обов'язково включає додатковий член, який відповідає за сумарні втрати напору, що виникають на ділянці між двома розглянутими точками через внутрішнє тертя. Для безпосереднього знаходження цих втрат по довжині труби застосовують універсальне рівняння Дарсі-Вейсбаха, яке встановлює пряму залежність втрат енергії від довжини ділянки, швидкості течії у квадраті та обернену залежність від внутрішнього діаметра. Ключовим і найбільш складним елементом у структурі цього рівняння є безрозмірний коефіцієнт гідравлічного тертя, величина якого повністю визначається характером руху флюїду та станом внутрішніх стінок труби. Щоб правильно підібрати математичну модель для визначення цього коефіцієнта, спочатку розраховують безрозмірне число Рейнольдса, яке дозволяє чітко розмежувати ламінарний режим руху із паралельним розташуванням шарів та хаотичний турбулентний режим із інтенсивним перемішуванням. Залежно від отриманого значення числа Рейнольдса та ступеня шорсткості стінок, інженери застосовують відповідні класичні формули, серед яких формула Пуазейля для чисто ламінарного потоку, а також формули Блазіуса, Альтшуля, Шифринсона чи Нікурадзе для різних областей турбулентного опору, що забезпечує максимальну точність фінальних результатів розрахунку.

Література Світлий Ю. Г., Білецький В. С. Гідравлічний транспорт (монографія). — Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. — 436 с. Також в Репозитарії ХПІ