Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Дослідження явища гідравлічного удару Інструкція до лабораторної роботи № 10

з дисциплін “Технічна механіка рідин і газів”,

“Гідрогазодинаміка”, “Гідравліка, гідро- та пневмоприводи”

для студентів базових напрямів “Водні ресурси”, “Будівництво”, “Енергетика”, “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”, “Інженерна механіка”

Затверджено на засіданні кафедри гідравліки та сантехніки

Протокол № 12

від 13 березня 2002 р.

Львів – 2002

Дослідження явища гідравлічного удару. Інструкція до лабораторної роботи з дисциплін “Технічна механіка рідин і газів”, “Гідрогазодинаміка”, “Гідравліка, гідро- та пневмоприводи”// Укладачі В.М.Жук, В.І.Желяк. – Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2002. – 10 с.

Відповідальний за випуск:	В.М. Жук, канд. техн. наук
Рецензенти:	В.І. Мандрус, канд. техн. наук Г.І. Шпак, канд. техн. наук

Мета роботи

Ознайомлення з явищем гідравлічного удару і експериментальне дослідження залежності величини підвищення тиску в трубопроводі від швидкості течії рідини та часу закриття запірно-регулювальної арматури.

1. Теоретичні основи

1.1. Загальні відомості

При русі рідини в трубопроводі з великими прискореннями, наприклад при швидкому закритті чи відкритті запірного пристрою, сили інерції можуть значно переважати всі інші сили, що діють на потік рідини. При великих прискореннях зміна тиску в трубопроводі може бути настільки значною, що виникає необхідність враховувати пружність рідини та стінок труб.

Гідравлічний удар – це коливний процес, що виникає в трубопроводі при різкому гальмуванні чи прискоренні потоку і характеризується виникненням та поширенням хвиль підвищеного та пониженого тиску.

Гідравлічний удар на практиці, як правило, небажаний і небезпечний, оскільки він може викликати розрив з’єднань труб чи пошкодження трубопровідної арматури.

Основи теорії гідравлічного удару в 1898 році заклав М.Є. Жуковський. Він показав, що гідравлічний удар пояснюється виникненням і поширенням у трубопроводі ударної хвилі підвищеного (чи пониженого) тиску, що зумовлено пружними деформаціями рідини та трубопроводу.

Фізична картина виникнення гідравлічного удару виглядає так. Нехай в прямій циліндричній трубі, в яку рідина надходить з великого резервуара під постійним напором Н_о (рис.1), має місце стаціонарний рух рідини з середньою швидкістю V_o . Припустимо, що в деякий момент часу запірний пристрій 1, встановлений на відстані L від резервуару, раптово закривається. Шар рідини перед затвором зупиняється і, внаслідок руху за інерцією решти маси рідини, стискається, тобто в ньому різко зростає тиск.

Рис. 1. Виникнення гідравлічного удару в трубопроводі: 1 – запірний пристрій (засувка, вентиль, корковий кран і т.п.)

Беручи до уваги пружність рідини і стінок, логічно зробити висновок, що разом із стисненням цього шару, відбувається розтягнення стінок труби і збільшення в них напружень. Тоді через деякий малий проміжок часу після закриття запірного пристрою ділянка труби довжиною L перед ним буде в стані підвищеного напруження, а рідина в межах цієї ділянки – під підвищеним тиском. Цей стан швидко поширюється на наступні шари рідини у вигляді хвилі підвищеного тиску, а в стінках труби – у вигляді пружної хвилі напружень.

При описі явища гідравлічного удару використовують наступні терміни. Гідравлічний удар, який спричиняє підвищення тиску, називається додатнім, а той, що викликає зниження тиску, – від’ємним. Хвиля тиску (додатного чи від’ємного), що поширюється від запірного пристрою до резервуара, називається прямою, а в протилежному напрямку – відбитою. Поверхня розділу ділянки поширення ударної хвилі та ділянки незбуреного руху називається фронтом ударної хвилі. Фронт ударної хвилі рухається з певною скінченою швидкістю, яку називають швидкістю поширення ударної хвилі с. Час, за який ударна хвиля проходить подвійну довжину труби (2L), називають фазою гідравлічного удару Т_Ф

ТФ = 2L / c.

(1)

Розглянемо процес проходження додатного гідравлічного удару. Схематично можна виділити чотири його фази.

Перша фаза. Полягає у поширенні підвищення тиску р по всій довжині труби, яке відбувається за час L/c. Стінки трубопроводу по всій довжині стають розтягнуті, а рідина у цей час перебуває у миттєвому спокої у стисненому стані.

Друга фаза. Описана вище рівновага не є стійкою, оскільки тиск з боку запірного пристрою більший, ніж з боку резервуара. Тому частинки рідини починають рухатись у напрямку до резервуара. Від резервуара до запірного пристрою переміщається фронт відбитої хвилі. Надлишковий тиск у трубопроводі при цьому падає до початкового, і за час Т_Ф=2L/c рідина в усьому трубопроводі займе свій попередній об’єм, який був до гідравлічного удару.

Третя фаза. Коли фронт відбитої хвилі доходить до запірного пристрою він відбивається від нього, і відбита від’ємна хвиля удару поширюється в напрямку до резервуара. Під дією сил інерції в найближчому до затвору шарі рідини, а згодом – у всьому трубопроводі настає зниження тиску. Через час 3L/c від початку удару хвиля зниження тиску дійде до резервуара, і вся рідина буде в миттєвому спокої в стані розтягу.

Четверта фаза. Тиск у трубопроводі по закінченні третьої фази є меншим, ніж у резервуарі, тому рідина знову починає рухатись у напрямку до запірного пристрою, поступово стискаючись. Під кінець четвертої фази вся рідина знаходиться в початковому стані. Але оскільки запірний пристрій повністю закритий, а рідина має інерційний напір, то знову виникає підвищення тиску, і описаний вище комплекс явищ знову повторюється.

Від’ємний гідравлічний удар аналогічний до описаного вище додатного удару, але характеризується раптовим прискоренням потоку рідини, що супроводжується різким зниженням тиску в трубопроводі.

На практиці явище гідравлічного удару значно ускладнюється пружністю рідини та стінок труб, конфігурацією трубопроводу та наявністю на ньому іншої арматури, а також в’язкістю рідини. Тому гідравлічний удар не є абсолютно пружним, а коливання тиску є затухаючими (рис. 2). Таким чином, повторне максимальне зростання тиску біля запірного пристрою є меншим за перше і т.д. Слід також враховувати, що жодний запірний пристрій не може бути закритий миттєво. Час закриття T_З запірно-регулювального пристрою є фактором, що відчутно впливає на перебіг гідравлічного удару.

Якщо час закриття запірного пристрою T_З менший за час фази гідравлічного удару T_Ф , такий гідравлічний удар називається прямим. При прямому гідравлічному ударі спостерігається максимально можливе збільшення тиску в трубопроводі за рахунок гідравлічного удару, тому прямий гідравлічний удар на практиці є найбільш небезпечним.

Якщо час закриття запірно-регулювального пристрою T_З більший за час фази гідравлічного удару T_Ф , такий гідравлічний удар називається непрямим. Максимальне зростання тиску в трубопроводі при непрямому ударі обернено пропорційне до часу перекриття трубопроводу і завжди є меншим за підвищення тиску при прямому гідравлічному ударі.

Рис. 2. Зміна тиску в трубопроводі перед запірно-регулювальним пристроєм під час гідравлічного удару: р_о – тиск у трубопроводі до перекриття засувки