Гидравлический удар 25-9

Гидравлический удар

Гидравлическим ударом называется скачкообразное повышение давления в трубопроводе (гидросистеме), вызванное резким изменением скорости жидкости.

Название «гидравлический удар» явление получило потому, что резкое изменение давления может сопровождаться сотрясением трубы и появлением звука, сходного со звуком удара молотком по твердому телу.

В конце IXXвека после завершения строительства в Москве Рублевской водонапорной станции участились случаи разрыва труб, заложенных глубоко в земле. Первое время аварии объясняли плохим качеством изготовления водопроводных труб. Однако и после замены разрушенных труб новыми аварии возникали вновь. Это заставило начальника Московского водопровода обратиться за помощью к профессору Н.Е. Жуковскому¹, который в то время являлся членом комиссии, решавшей проблему улучшения водоснабжения в г. Москве.

Н.Е. Жуковским была впервые разработана теория гидравлического удара в трубах, основные положения которой изложены в статье «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» (1898 г.).

Явление гидравлического удара рассмотрим на примере трубопровода длиной , диаметром, в котором под действием напора в бакедвижется вода со средней скоростью. Давление воды. На конце трубопровода расположено запорное устройство (задвижка, кран, клапан и т.д.).

Примем следующие допущения:

• размеры резервуара велики, уровень в нем остается постоянным независимо от явлений, происходящих в трубопроводе.

• начальное давлениев трубопроводе практическипостояннои равно;

• движение воды в трубопроводе считаем одномерным, т.е. все местные скорости считаем равными средней скорости, а давление – одинаковыми во всех точках живого сечения. Характеристики такого движения зависят только от продольной координаты;

• потери напора и скоростной напор малы, поэтому пьезометрическая линия практически совпадает с горизонтальной линией. Давление водыпрактически постоянно по длине трубы

В момент времени затвор мгновенно закрылся.
	.
Жидкость продолжает двигаться с прежней скоростью. Слои, непосредственно примыкающие к затвору останавливаются (), давление повышается (), происходит сжатие жидкости и деформация стенок трубопровода. Кинетическая энергия движущейся воды переходит в потенциальную энергию сжатия воды и деформации стенок резервуара. Такой процесс распространяется по всей трубе в сторону резервуара со скоростью .
Процесс повышения давления достиг резервуара. Мгновенный останов под повышенным давлением
Это состояние неравновесное (неустойчивое). В трубе давление повышенное, стенки растянуты. Начинается процесс выхода воды обратно в резервуар, снижения давления до первоначального. Потенциальная энергия переходит в кинетическую. Процесс распространяется в сторону запорного устройства со скоростью .
Процесс восстановления давления достиг запорного устройства. Деформаций нет. Скорость направлена от запорного в бак.
Инерция движущейся массы воды приведет к понижению давления у запорного устройста. Предполагается, что не происходит нарушения целостности столба воды. Происходит постепенная остановка жидкости и деформация стенок трубопровода. Такой процесс распространяется по всей трубе в сторону резервуара со скоростью .
Процесс понижения давления достиг резервуара. Мгновенный останов под пониженным давлением
Это состояние неустойчиво. В трубе давление ниже, чем в резервуаре, стенки сжаты. Начинается процесс входа воды в трубопровод, повышения давления до первоначального и устранения деформации трубопровода. Потенциальная энергия переходит в кинетическую. Процесс распространяется в сторону запорного устройства со скоростью .
Процесс восстановления давления достиг запорного устройства. Деформаций нет. Скорость направлена из бака в сторону запора.
Цикл завершен. Восстановлено начальное состояние (см. ). Процесс повторяется. В реальных условиях колебания постепенно затухают.

Определения.

Гидравлический удар –явление резкого изменения давления, возникающее при напорном движении жидкости в трубе вследствие быстрого изменения скорости в одном из сечений.

Скорость ударной волны– скорость распространения волны изменения давления вдоль трубопровода.

Фаза удара– время, за которое волна изменения давления проходит весь трубопровод и возвращается обратно.. Различают фазу повышенного давления и фазу пониженного давления.

Положительный гидравлический удар – начинается с фазы повышения давления. Нами рассмотрен положительный гидроудар, задвижка в конце трубопровода.

Отрицательный гидравлический удар – начинается с фазы понижения давления. Если резко закрыть задвижку в начале трубопровода, то произойдет аналогичный процесс скачкообразного изменения давления, однако он начнется с понижения давления за задвижкой. То же происходит при резкой остановке насоса.