УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 56 Сельское хозяйство
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Современные системы капельного орошения являются весьма дорогостоящими. В связи с этим, для повышения качества их проектирования была составлена математическая модель движения жидкости в капельных линиях и разводящих трубопроводах, а также разработана программа на языке программирования Quick Basic, реализующая алгоритм решения поставленной задачи. Разработанная математическая модель и составленная на ее основе программа расчета позволяет получать графики основных гидравлических характеристик рассматриваемых трубопроводов, проводить их сравнительный анализ и проектировать трубопроводы с оптимальными параметрами.
Капельный способ орошения, системы капельного орошения, движение жидкости в капельных линиях и разводящих трубопроводах, математическая модель, дифференциальные уравнения Эйлера и неразрывности, разностный метод расчета
Введение. Для выбора оптимальных длин и диаметров капельных линий, а также разводящих трубопроводов систем капельного орошения была разработана математическая модель движения жидкости в них и проведен вычислительный эксперимент
В системах капельного орошения капельницы располагаются по длине поливных трубопроводов или по длине капельных линий, которые берут начало из участковых или разводящих трубопроводов [4]. В связи с этим, движение жидкости в капельных линиях и разводящих трубопроводах установившееся с убывающей массой жидкости по длине [2]. Поэтому, математическая модель движения жидкости в этих трубопроводах состоит из уравнения Эйлера и уравнения неразрывности с учетом оттока массы жидкости по длине рассматриваемых трубопроводов ⦋1⦎.
где p – давление жидкости, Па;
𝑣 – скорость движения жидкости, м/с;
ρ – плотность жидкости,
ω – площадь живого сечения потока,
λ – коэффициент гидравлического трения;
d – диаметр трубопровода, м;
m – масса сосредоточенного оттока жидкости,
С учетом расхода оттока жидкости из трубопровода система уравнений (1) запишется в виде
где q – расход оттока жидкости из трубопровода,
Ɩ – длина трубопровода, на которой происходит отток жидкости, м.
Для решения дифференциальных уравнений математической модели применялся разностный метод. Узлы расчетных схем располагались вдоль оси рассматриваемых трубопроводов. Все производные, входящие в уравнения, были заменены конечными разностями. Из получившихся при этом алгебраических уравнений были получены расчетные уравнения, которые представлены системой уравнений (3).
Система уравнений (3) использовалась для расчета давления жидкости в узлах сетки, а скорости движения между узлами.
Для реализации разностного метода при решении дифференциальных уравнений необходимо использование вычислительной техники. Поэтому был разработан следующий алгоритм решения:
1. Ввод начальных и граничных условий.
2. Вычисление скорости движения жидкости по уравнению (2) системы уравнений (3).
3. Расчет числа Рейнольдса, определение области гидравлических сопротивлений.
4. Вычисление значения коэффициента гидравлического трения λ.
5. Расчет давления жидкости по уравнению (1) системы уравнений (3).
В соответствии с разработанным алгоритмом составлена программа расчета на языке программирования Quick Basic.
Состав исследований. Цель исследований заключалась в определении оптимальных диаметров и длин поливных и участковых трубопроводов для различных сельскохозяйственных культур, орошаемых капельным способом полива[3,4].
Ниже приводятся результаты вычислительного эксперимента для схем посадки плодовых культур 3,5
0,8; 3,5 0,9; 3,5 1,0 м, при этом считается, что яблони размещаются на шпалере и принят расход капельниц 
= 1,6 л/час, а размещение капельниц 3,5 0,5 м. В вычислительном эксперименте рассматривались поливные трубопроводы диаметром 14, 16, 18 и 20 мм длиной по 150 м, участковые трубопроводы диаметром 75, 90 и 110 мм длиной по 300 м, а также телескопические участковые трубопроводы, состоящие из двух участков диаметром 110 и 90 мм длиной по 150 м, и диаметром 90 и 75 мм по 150 м каждый.
Обсуждение исследований. Результаты исследований поливных трубопроводов представлены в виде графиков, которые приведены на рисунках 1, 2 и 3.
Рисунок 1 – Зависимость скорости движения жидкости от диаметра и длины капельных линий
Рисунок 2 – Зависимость давления жидкости от диаметра и длины капельных линий
Рисунок 3 – Графики зависимости потерь напора от диаметра и длины капельных линий
На основании анализа полученных графиков, для орошения плодовых культур можно рекомендовать проектировать капельные линии длиной до 150 м и диаметром от 16 до 20 мм. Капельные линии диаметром 14 мм и меньше применять не рекомендуется, в связи с большими потерями напора.
Результаты исследований разводящих трубопроводов при схеме посадки деревьев 3,5
м и расходе капельниц 1,6 л/ч представлены на рисунках 4, 5 и 6.
Рисунок 4 – Зависимость скорости движения жидкости от диаметра и длины разводящих трубопроводов
Рисунок 5 – Зависимость давления жидкости от диаметра и длины разводящих трубопроводов
Рисунок 6 – Графики зависимости потерь напора от диаметра и длины разводящих трубопроводов
На основании анализа полученных графиков, для орошения плодовых культур можно рекомендовать проектировать участковые трубопроводы длиной до 300 м, а диаметром от 90 до 110 мм. Участковые трубопроводы диаметром 75 мм и меньше проектировать не рекомендуется, в связи с большими потерями напора.
Результаты исследований телескопических разводящих трубопроводов представлены на рисунках 7, 8 и 9.
Рисунок 7 – Зависимость скорости движения жидкости от диаметров и длины телескопических разводящих трубопроводов
Рисунок 8 – Зависимость давления жидкости от диаметров и длины телескопических разводящих трубопроводов
Рисунок 9 – Графики зависимости потерь напора от диаметров и длины телескопических разводящих трубопроводов
На основании анализа полученных графиков, для орошения плодовых культур можно рекомендовать проектировать телескопические участковые трубопроводы длиной до 300 м, диаметром 110 на 90 мм, состоящие из двух секций длиной по 150 м каждая. Телескопические трубопроводы длиной до 300 м, диаметром 90 на 75 мм применять не рекомендуется, в связи с большими потерями напора.
Результаты сравнительных исследований участковых трубопроводов постоянного диаметра и телескопических представлены на рисунке 10.
Рисунок 10 – Графики зависимости потерь напора от диаметра и длины телескопического разводящего трубопровода и разводящего трубопровода постоянного диаметра
Из рисунка следует, что потери напора в телескопическом разводящем трубопроводе несколько выше чем в разводящем трубопроводе постоянного диаметра, но увеличение потерь напора не значительное. В трубопроводе постоянного диаметра 1,15 м, а в телескопическом трубопроводе 2,1 м. Поэтому можно рекомендовать на системах капельного орошения применять и телескопические участковые трубопроводы, так как на фоне не значительного увеличения потерь напора можно получить экономию по стоимости трубопроводов.
Выводы. Современные системы капельного орошения являются весьма дорогостоящими, поэтому, в настоящее время значительно повышаются требования к качеству проектирования.
Разработанная математическая модель и составленная на ее основе программа расчета позволяет получать графики основных гидравлических характеристик рассматриваемых трубопроводов, проводить их сравнительный анализ и проектировать трубопроводы с оптимальными параметрами.
1. Островский Н.В. Эффективные решения по автоматизации локализованных ирригационных систем / Н. В. Островский, В. В. Ванжа, Ю. Н. Самойлюков, М. А. Бандурин, Е. В. Дегтярева // Аграрный научный журнал. 2021. № 11. С. 102-107. DOI:https://doi.org/10.28983/asj.y2021i11pp102-107 EDN: XSKENO
2. Семерджян А.К., Буханиф И. Инновационные виды орошения сельскохозяйственных культур. В книге: Год науки и технологий 2021. Сборник тезисов по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Отв. за выпуск А. Г. Кощаев. Краснодар, 2021. С. 271. EDN: QPZMYN
3. Семерджян А.К. Повышение эффективности обеспечения оросительной водой систем, расположенных ниже створа Краснодарского водохранилища / А.К. Семерджян, В.В. Ванжа, В.И. Орехова, Е.В. Дегтярева // Мелиорация и водное хозяйство. - 2022. - № 4. - С. 29-31. DOI:https://doi.org/10.32962/0235-2524-2022-4-29-31 EDN: YZBONA
4. Семерджян А.К., Бень А.В. Опыт проектирования и строительства систем капельного орошения в Краснодарском крае. В сборнике: Итоги научно-исследовательской работы за 2017 год. Сборник статей по материалам 73-й научно-практической конференции преподавателей. 2018. С. 221-222. EDN: YWHNQL
