Расход воды через трубу: возможен ли простой расчет?

Возможен ли сколь-нибудь простой расчет расхода воды по диаметру трубы? Или единственный способ — обращаться к специалистам, предварительно изобразив подробную карту всех водопроводов в округе?

Ведь гидродинамические расчеты крайне сложны…

Наша задача — выяснить, сколько воды может пропустить эта труба

Для чего это нужно?

1. При самостоятельном расчете водопроводных систем.
   Если планируется строить большой дом с несколькими гостевыми ваннами, мини — гостиницу, продумывать систему пожаротушения — желательно знать, какое количество воды может поставить труба заданного диаметра при определенном давлении.

Ведь значительное падение напора в пиках потребления воды едва ли порадует жильцов. Да и слабая струйка воды из пожарного шланга скорее всего будет бесполезна.

2. В отсутствие водосчетчиков коммунальные службы обычно выставляют счет организациям «по проходимости трубы».
   Как любые разумные люди, мы склонны считать деньги. Если платим — то хотим знать, за что и по каким тарифам, не так ли?

Обратите внимание: второй сценарий не затрагивает квартиры и частные дома. Если нет водосчетчиков, коммунальники берут оплату за воду согласно санитарных норм. Для современных благоустроенных домов это не более чем 360 литров на человека в сутки.

Нужно признать: водосчетчик сильно упрощает отношения с коммунальными службами

Факторы, влияющие на проходимость трубы

Что влияет на  максимальный расход воды в трубе круглого сечения?

Очевидный ответ

Здравый смысл подсказывает, что ответ должен быть очень простым. Есть труба для водопровода. В ней отверстие. Чем оно больше — чем больше воды через него пройдет за единицу времени. Ах, простите, еще давление.

Очевидно, что столб воды в 10 сантиметров будет продавливать через сантиметровое отверстие меньше воды, чем водяной  столб высотой с десятиэтажный дом.

Значит, от внутреннего сечения трубы и от давления в водопроводе, так?

Неужели нужно что-то еще?

Правильный ответ

Нет. Эти факторы на расход влияют, но они — лишь начало длинного списка. Рассчитывать  расход воды по диаметру трубы и давлению в ней — это все равно, что рассчитывать траекторию летящей на Луну ракеты, исходя из видимого положения нашего спутника.

Если не учесть вращение Земли, движение Луны по собственной орбите, сопротивление атмосферы и гравитацию небесных тел — едва ли наш космический корабль попадет хоть приблизительно в нужную точку пространства.

На то, сколько воды выльется из трубы диаметром x при давлении в трассе y, влияют не только эти два фактора, но еще и:

• Протяженность трубы. Чем она длиннее — тем сильнее трение воды об стенки замедляет поток воды в ней. Да, на воду у самого торца трубы влияет лишь давление в ней, но ведь следующие объемы воды должны занять ее место. А водопроводная труба тормозит их, и еще как.

Именно из-за потери напора в длинной трубе на нефтепроводах стоят насосные станции

• Диаметр трубы влияет на расход воды куда сложнее, чем подсказывает «здравый смысл». Для труб малого диаметра сопротивление стенок движению потока куда больше, чем для толстых труб.
  Причина — в том, что тем меньше труба, тем менее выгодно в ней с точки зрения скорости потока воды соотношение внутреннего объема и площади поверхности при фиксированной длине.

Проще говоря, по толстой трубе воде легче двигаться, чем по тонкой.

• Материал стенок — еще один важнейший фактор, от которого зависит скорость движения воды. Если по гладкому полипропилену вода скользит, как филейная часть неуклюжей дамы по тротуару в гололед, то шероховатая сталь создает куда большее сопротивление потоку.
• Возраст трубы тоже очень сильно влияет на проходимость трубы. Стальные водопроводные трубы ржавеют, кроме того, сталь и чугун с годами эксплуатации зарастают известковыми отложениями.

Заросшая труба оказывает куда большее сопротивление потоку (сопротивление полированной новой стальной трубы и ржавой отличаются в 200 раз!). Мало того — участки внутри трубы вследствие зарастания уменьшают свой просвет; даже в идеальных условиях через заросшую трубу пройдет куда меньше воды.

Как вы думаете, есть ли смысл рассчитывать проходимость по диаметру трубы у фланца?

Обратите внимание: состояние поверхности пластиковых и металлополимерных труб со временем не ухудшается. Через 20 лет труба будет оказывать такое же сопротивление потоку воды, как и в момент монтажа.

• Наконец, любой поворот, переход диаметра, разнообразная запорная арматура и фитинги — все это тоже тормозит поток воды.

Ах, если бы приведенными выше факторами можно было пренебречь! Однако речь идет не об отклонениях в пределах погрешности, а о разнице в разы.

Все это приводит нас к печальному выводу: простой расчет расхода воды через трубу невозможен.

Луч света в темном царстве

В случае расхода воды через кран, однако, задача может быть резко упрощена. Основное условие простого расчета: отверстие, через которое вода изливается, должно быть пренебрежимо мало по сравнению с диаметром подводящей воду трубы.

Тогда действует закон Торричелли: v^2=2gh, где v — скорость вытекания из малого отверстия, g — ускорение свободного падения, а h — высота водяного столба, который стоит над отверстием. При этом через отверстие с сечением s за единицу времени будет проходить объем жидкости s*v.

Мэтр оставил вам подарок

Не забудьте: сечение отверстия — это не диаметр, это площадь, равная pi*r^2.

Для столба воды 10 метров (что соответствует избыточному давлению в одну атмосферу) и отверстия диаметром 0,01 метр расчет будет таким:

v^2=2*9.78*10=195,6

Извлекаем квадратный корень и получаем v=13,98570698963767. Для простоты расчетов округлим значение скорости потока до 14 м/с.

Сечение отверстия диаметром 0,01 м равно 3,14159265*0,01^2=0,000314159265 м2.

Таким образом, расход воды через наше отверстие будет равным 0,000314159265*14=0,00439822971 м3/с, или чуть меньше четырех с половиной литров в секунду.

Как видите, в этом варианте расчет не очень сложен.

Кроме того, в приложении к статье вы найдете таблицу расхода воды наиболее распространенными сантехническими приборами с указанием минимального диаметра подводки.

Заключение

Вот вкратце и все. Как видите, универсального простого решения мы не нашли; однако, будем надеяться, статья окажется полезной вам. Удачи!

Автор и сам в печали от того, как сложны гидродинамические расчеты

Приложение