Лабораторная Работа № 7 определение повышения давления в трубах при гидравлическом ударе

Цель работы:

Опытная проверка соотношений для расчета параметров гидравлического удара в жидкости.

В работе необходимо:

- измерить повышение давления воды в трубе перед задвижкой при быстром перекрытии канала;

- сопоставить расчетные и опытные величины повышения давления воды в трубе перед задвижкой при гидравлическом ударе.

Основные теоретические положения

Явление резкого изменения давления в трубе при быстром и существенном изменении расхода жидкости в ней называется гидравлическим ударом.

Гидравлический удар – колебательный процесс, в котором чередуются резкие повышения и понижения давления в жидкости, проявляющиеся как удары по стенкам (отсюда и название явления, которое, как и вся теория гидроудара, предложено Н.Е. Жуковским). Если, например, расход жидкости в трубе резко снижается за счет срабатывания какого-либо отсечного устройства в ней, то на заторможенные частицы жидкости вблизи этого устройства набегает продолжающая движение остальная жидкость. Это приводит к сжатию притормозивших частиц и повышению давления в сжатой части жидкости. Повышение давления (ударная волна) будет распространяться против движения со скоростью звука а – скоростью распространения малых возмущений в жидкости. Через некоторое время вся жидкость в трубе будет находиться под действием избыточного давления р. Когда «волна» повышенного давления достигает свободной поверхности жидкости в баке, то она «отразится» от этой поверхности в виде волны пониженного давления. Волна пониженного давления начнет со скоростью звука в жидкости а двигаться в обратном направлении. Процесс изменения давления будет повторяться и постепенно затухать из-за рассеивания энергии удара.

Явление, описанное выше и начинающееся с повышения величины давления, называется положительным гидроударом. Наиболее опасен именно такой удар – при практически мгновенном и полном прекращении расхода в трубе. Этот удар называется полным (или прямым). Отрицательный гидроудар начинается с волны разрежения и вызывается резким увеличением расхода. При прочих равных условиях вторая фаза – ударная волна – в нем несколько ослаблена. Для полного положительного гидроудара справедлива формула Н.Е. Жуковского:

, (7.1)

где ∆р – повышение давления, Па;

 – скорость движения жидкости до отсечки расхода, м/с;

а – скорость распространения ударной волны в жидкости, м/с;

ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Если принять, что стенки трубы очень жесткие (в связи с большим модулем упругости материала Е_ст или большой относительной толщиной стенок δ/D при малом диаметре трубы D), то скорость распространения возмущений будет наибольшей и равной скорости а_ж звука в жидкости:

. (7.2)

При расчетах для воды, например, можно принять Е_ж= 2,110⁹ Па, а плотность ρ = 10³ кг/м³; для минерального масла Е_ж= 1,610⁹ Па; ρ = 0,910³ кг/м³.

Чем менее жесткая труба, тем ниже будет величина скорости волны в ней:

. (7.3)

Для легированных сталей, например, Е_ст = 210¹¹ Па, для алюминиевых сплавов Е_ст = 0,710¹¹ Па.

Чем менее жесткая труба, тем меньше ∆P – здесь большая доля энергии удара расходуется на деформацию стенок.

При неполном (или непрямом) гидроударе часть жидкости успевает проскочить через преграду (например, отсечной клапан) без торможения. И чем медленнее изменение расхода, тем меньше проявление гидроудара. Если же время закрытия крана t_закр больше времени прохождения волны вдоль трубы туда и обратно (т.е. фазы гидроудара), то это уменьшение будет особенно ощутимым. Как раз такой гидроудар, в котором время срабатывания отсечного устройства t_закр больше времени фазы гидроудара , называется неполным. Для этого случая в формулу Н.Е. Жуковского подставляется не та скорость, которая была до прекращения расхода, а ее «погашенная» часть, называемая эффективной скоростью _эф, равна:

; (7.4)

причем здесь

Из приведенного анализа вытекают меры по ослаблению и предотвращению гидравлического удара :

- увеличение времени срабатывания органов управления расходом жидкости t_закр и снижение длины трубы L;

- уменьшение начальной скорости течения  жидкости в трубе (в том числе, за счет увеличения диаметра D);

- уменьшение относительной толщины стенок δ/D и жесткости материала трубы Е_ст в допустимых пределах.

Зачастую этими факторами (как и родом жидкости, а значит, величинами ρ и Е_ж) варьировать не удается: скорость течения, диаметр и длина трубы заданы гидравлическим расчетом, толщина стенок и материал трубы – прочностным расчетом, а быстродействие органов управления связано с необходимой быстротой перехода с одного режима работы на другой. Поэтому основные меры борьбы с гидроударом – конструктивные: установка в магистрали гидроаккумуляторов (поршневых, мембранных или газожидкостных), открытие перепускных магистралей (на слив) одновременно отсечкой подачи жидкости в основной цепи и т.д. В гидроаккумуляторах энергия удара расходуется на совершение работы по сжатию газа или передавливанию жидкости (например, через жиклеры).

Описание экспериментальной установки

Основными элементами установки (рис. 7.1) является труба 2 с отсечным пробковым краном 4 и индикатором давления 3.

При открытом пробковом кране 4 установившийся поток воды протекает из бака 1 на слив или в мерную емкость 5. Вес воды, попавшей в емкость 5 при установившемся расходе за некоторое время, измеряемое секундомером 7, определяется с помощью весов 6. Это позволяет рассчитать расход и скорость течения. При быстром и полном закрытии крана 4 под действием давления гидроудара жидкость перемешает поршень индикатора 3 и на бумаге отметчик индикатора вычерчивает отрезок прямой. Длину этого отрезка с помощью специальной тарировочной линейки переводят в атмосферы, а затем в паскали.

Рис. 7.1

К сожалению, инерционность и недостаточное совершенство системы индикации не позволяет записать колебательный процесс – записывается лишь первый скачок давления.

Порядок выполнения работы

1. Перед началом работы следует убедиться в наличии воды в баке 1 (уровень не менее 2 м). Закрыть все вентили на трубопроводах, параллельных испытуемому и подсоединенных к тому же сливу. Необходимо проверить также взведенность индикатора и подвижность рукоятки пробкового крана.

2. Краном 4 установить течение в трубе 2 на слив, во время которого определить вес вытекшей жидкости за известное время с помощью емкости 5 и секундомера 7.

3. Как можно быстрее закрыть кран – индикатор фиксирует скачок давления на листке бумажной ленты. Величину скачка перевести в единицы давления.

4. На бланке вычертить схему установки, записать расчетные формулы (7.1); (7.2); (7.3) и еще (2.3); (2.4), а также исходные величины и данные опыта. Результаты расчета гидроудара (для вариантов абсолютно жесткой и податливой труб) и опытного исследования сопоставить между собой.

Контрольные вопросы

1. Понятие гидроудара, его виды и расчетные зависимости. Картина изменения давления при гидроударе во времени.

2. Меры борьбы с гидроударом. Влияние различных факторов на величину гидроудара.

3. Принцип опытного определения скорости течения жидкости в трубе и величины повышения давления в данной работе.

Рекомендуемая литература

[1, с. 156-164]. [3, с. 109-113]. [4, с. 356-365]