5.2.3. Гидравлический удар
Под гидравлическим ударом понимают резкое повышение давления жидкости в трубопроводе, вызванное внезапным изменением скорости течения. Явление гидравлического удара свойственно только капельным жидкостям, которые почти не деформируются. Гидравлический удар в водопроводных линиях возникает при быстром закрытии или открытии запорной арматуры. Повышение давления при гидравлическом ударе иногда приводит к разрыву стенок трубы. Физически явление объясняется инерционными усилиями, возникающими в жидкости при резком изменении скорости движения.
Рассмотрим гидравлический удар на
примере простейшей схемы (см. рис. 5.13).
Пусть в резервуаре напор воды будет
постоянным независимо от изменения
скорости течения в трубе. При полностью
открытом кране В в трубопроводе
устанавливается скорость движения
жидкости
.
При быстром закрытии крана жидкость в
непосредственной близости от него
остановится. Под действием напора
движущихся по инерции частиц,
давление в этой части трубопровода
повысится, что приведет к расширению
стенок трубопровода. Переход от движения
к покою и повышение давления происходит
по всей длине жидкости не мгновенно, а
через некоторый промежуток времени,
что объясняется тем, что жидкость не
является абсолютно несжимаемой, а стенки
трубы немного, но деформируются. Движение
в трубопроводе при гидравлическом ударе
относится к категории неустановившегося,
поэтому уравнение Бернулли в данном
случае неприменимо.
Рис. 5.13. Движение жидкости в магистральном трубопроводе до гидравлического удара
Теоретическое обоснование явления гидравлического удара и метод его расчета впервые дал Н.Е. Жуковский в 1898 г. Жуковский предложил формулу для определения повышения давления, применив закон сохранения количества движения
|
|
(5.18) |
,где с – скорость распространения гидравлического удара вдоль трубы от крана до резервуара.
Скорость распространения гидравлического удара можно найти, применив закон сохранения массы с учетом уравнений механики упругих тел
|
|
(5.19) |
,
где
– модуль упругости жидкости;
– модуль упругости трубы; r
– радиус трубы; δ – толщина стенки
трубы.
Повышение давления в трубопроводе будет
гораздо меньше, если задвижку закрывать
не мгновенно, а постепенно. В этом случае
ударная волна успевает достигнуть
резервуара, отразиться от него и вернуться
к не полностью закрытому крану. Такой
гидравлический удар называют непрямым.
Повышение давления при непрямом
гидравлическом ударе может быть оценено
приблизительно, если считать, что его
сила уменьшается пропорционально
увеличению времени закрытия крана В
по сравнению с фазой удара, которая
рассчитывается по формуле
.
Повышение давления при непрямом ударе
|
|
(5.20) |
,где Т – время закрытия задвижки.
Самым простым методом, позволяющим избежать прямого гидравлического удара, является медленное закрытие задвижки. Этому требованию вполне удовлетворяют вентили различных конструкций и задвижки, менее всего – краны и клапаны. На насосных станциях, где имеется опасность возникновения гидравлического удара при отключении насосного агрегата в связи с аварией электросети, необходимы самостоятельные мероприятия по борьбе с гидравлическим ударом.
В водопроводах внутри зданий, где длины участков невелики и фаза удара незначительна, но есть быстродействующие запорные приспособления (краны), возможно образование непрямого гидравлического удара. Поскольку сила его прямо пропорциональна скорости течения до удара, то скорость течения воды в сети ограничивают 2,5 м/с.