![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Лекция 11. Гидравлический удар в трубопроводах
Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе
Ударное давление
Протекание гидравлического удара во времени
Разновидности гидроудара
Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлического удара в трубопроводах впервые было проведено известным русским учёным Николаем Егоровичем Жуковским в 1899 году. Это явление связано с тем, что при быстром закрытии трубопровода, по которому течёт жидкость, или быстром его открытии (т.е. соединении тупикового трубопровода с источником гидравлической энергии) возникает резкое, неодновременное по длине трубопровода изменение скорости и давления жидкости. Если в таком трубопроводе измерять скорость жидкости и давление, то обнаружится, что скорость меняется как по величине, так и по направлению, а давление - как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения по отношению к начальному. Это означает, что в трубопроводе возникает колебательный процесс, характеризующийся периодическим повышением и понижением давления. Такой процесс очень быстротечен и обусловлен упругими деформациями стенок трубы и самой жидкости.
Подробно рассмотрим
его картину для случая полного
и прямого
гидравлического
удара.
Будем считать, что
в исходном состоянии трубопровод открыт.
Жидкость движется по трубе со скоростью
V>0.
Давление
в жидкости равноРо.
Трубопровод
мгновенно закрывается. Слои жидкости,
натолкнувшись на заслонку крана,
останавливаются. Кинетическая энергия
жидкости переходит в деформацию стенок
трубы (труба у заслонки расширится), и
жидкости (давление у заслонки повысится
на величину
Р).
На остановившиеся у заслонки слои
жидкости будут набегать следующие,
вызывая сжатие жидкости и рост давления,
который будет с некоторой скоростью
распространяться в сторону противоположную
направлению скорости движения жидкости.
Переходная область в сечении A-A
называется ударной волной. Скорость
перемещения сечения A-A(фронта
волны)
называется скоростью распростран
ения
ударной волны и обозначается буквойа.
Такой процесс проходит в период времени
.
В момент времени
весь
трубопровод окажется расширенным, а
жидкость сжатой и неподвижной. Но такое
состояние неравновесное. Поскольку у
источника давление Ро,
а в трубе Р
= Ро+
Р,
то жидкость начнёт двигаться в сторону
меньшего давления, т.е. из трубы в
резервуар.
Этот
процесс начинается от начала трубы.
Жидкость будет вытекать из трубы в
резервуар с некоторой скоростьюV.
Сечение A-A
(ударная волна) начнёт перемещаться к
концу трубы со скоростью а.
При этом
давление в трубе будет снижаться до P0.
Этот процесс будет
происходить в период времени
.
Энергия
деформации жидкости переходит в
кинетическую энергию, и жидкость
приобретает некоторую скоростьV,
но направленную в обратную сторону. Во
всём трубопроводе устанавливается
давление Ро.
По инерции жидкость продолжает двигаться
к началу трубы и начинает испытывать
деформации растяжения, что приводит к
уменьшению давления вблизи заслонки.
Возникает
отрицательная ударная волна, движущаяся
от конца трубы к началу со скоростьюа,
и за фронтом волны остается сжатая
труба. Кинетическая энергия снова
превращается в энергию деформации
(сжатия).
В момент времени
вся труба окажется
сжатой, а волна достигает начала трубы.
Давление вблизи источника выше, чем во
фронте. Из-за этого слои жидкости под
действием перепада давления начинают
двигаться к концу трубы (к заслонке) с
некоторой скоростью V>0,
а давление поднимается до Ро.
Поэтому
период времени
происходит процесс
выравнивания давления в трубопроводе.
При этом происходит движение ударной
волны со скоростью а
от начала трубы к её концу.
В момент времени
ударная волна
достигает конца трубы.
Далее
весь процесс начинается сначала. При
исследовании этого процесса возникает
три основных вопроса. Первый - какова
скорость протекания этого колебательного
процесса и от чего она зависит? Второй
вопрос – как сильно меняется давление
в трубопроводе за счёт описанного
процесса? И третий – как долго может
протекать этот процесс?