Гидравлический удар в трубах.

Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс возникающий в упругом трубопроводе с мало сжимаемой жидкостью при внезапном изменении её скорости или давления.

Этот процесс является очень быстротечным и характеризует, чередованием резких повышений и понижений давления. Изменение давления при этом связанно также с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.

Гидроудар возникает при быстром закрытии запорной арматуры (кран, задвижка), внезапной остановки насоса.

Особенно опасен гидроудар в длинных трубопроводах, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями. Гидроудар может привести к повреждению мест соединений трубопроводов (стыков, фланцем, раструбов), разрыву стенок трубы, поломке насосов и других агрегатов гидросистемы.

Теоретическое и экспериментальное исследование гидроудара в трубах было впервые выполнено профессором Н.Е. Жуковским изложено в его работе «О гидравлическом уларе», вышедшей в 1899 г.

Процесс возникновения и развития гидроудара происходит следующим образом. Пусть в круглой трубе движется жидкость со скорость V₀ под действием давления Р₀ из резервуара через кран.

При мгновенном закрытии крана, жидкость непосредственно столкнувшаяся с заслонкой мгновенно останавливается (V=0). а давление в ней повышается на величину ∆P; (P₀+∆P) вследствие перехода кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления. Процесс остановки жидкости и повышения давления в ней распространяемся от заслонки обратно к резервуару со скоростью «а», которую называют скоростью ударной волны. Ударной волной называют переходную область. В которой давление изменяется на величину ∆P.

Когда ударная волна добежит до резервуара, жидкое и, окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы - растянутыми ударным повышением давления ∆Р, распространившимся на всю трубу.

Такое состояние не будет равновесным. Под действием избыточного давления ∆Р жидкость устремится из трубы в резервуар, и движение начнется с сечения на входе в резервуар - n - n. Сечение n-n побежит обратно к крану со скоростью «а», оставляя за собой выровненное давление P₀ .

Жидкость и стенки трубы, являясь совершенно упругими, возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению Р₀ . Работа деформаций полностью переходит обратно в кинетическую энергию, и жидкость в трубе снова движется со скоростью V₀, но в сторону резервуара.

С этой скоростью V₀ жидкая колонна стремится оторваться от крана вследствие чего у крана возникает разряжение, которое распространяется от крана к резервуару со скоростью «а». То есть возникает отрицательная ударная волна -∆P_уд, которая вызывает за собой понижение давления: Р₀-∆Р, и сжатие стенок трубы. Кинетическая энергия жидкости переходит в работу деформаций, но противоположного знака

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна - ∆Р_ударн. Достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрывания крана, весь цикл гидравлического удара повторится снова.

В опытах Н.Е. Жуковского было зарегистрировано по 12 полных циклов : постепенным уменьшением «∆Р_ударн» в следствии трения и ухода энергии в резервуар.

Протекание гидравлического удара по времени иллюстрируется диаграммой