Лекція № 8 «Гідравлічний удар в трубах»
Фізичні процеси виникнення гідравлічного удару.
Визначення ударного тиску.
Запобігання гідравлічного удару.
Фізичні процеси виникнення гідравлічного удару.
Практикою встановлено, що під час перекриття засувок або при раптовій зупинці насоса виникає різке підвищення тиску в трубопроводі, яке обумовлено інерційними властивостями рідини. Таке явище супроводжується появленням звуку, який подібний звуку при ударі молотка по твердому тілу, а іноді і сильним струсом труби і називається гідравлічним ударом. Під гідравлічним ударом розуміють різке підвищення (або пониження) тиску рідини у трубопроводі, яке викликане раптовою зміною швидкості течії. Явище гідравлічного удару властиве тільки краплинним рідинам, для яких характерна мала деформація стискання. Виникаючий в момент гідравлічного удару додатковий тиск є дуже значним, наприклад для сталевих трубопроводів більше 981 кПа на кожній 1м/с втраченої швидкості. При гідравлічному ударі можливе також утворення глибокого вакууму. Як високий тиск, так і вакуум, які виникають при гідравлічному ударі, часто являються причиною пошкодження трубопроводів. Особливо небезпечний гідравлічний удар для довгих трубопроводів, по яких рухаються значні маси рідини.
Гідравлічний удар може виникати в результаті таких причин, впливати на які неможливо. Так, наприклад, раптове припинення подачі енергії до насосів, які підключені до системи напірних водопроводів, викликає гідравлічний удар, так як після раптової зупинки насосу тиск у водопроводі різко падає порівняно з робочим, а потім швидко зростає до ударної величини. Гідравлічний удар є небажаним, грізним явищем.
Виникнення і розповсюдження ударного тиску представлено на рис. 1. Нехай на кінці горизонтального трубопроводу круглого перерізу довжиною l, діаметром d і товщиною стінки δ встановлений кран 3. Трубопровід живиться із резервуара А. По трубопроводу рухається рідина щільністю ρ із швидкістю v, а тиск рідини у трубі - р. Припустимо, що кран 3 миттєво закрили. Тоді швидкість частинок рідини, які наштовхнулися на кран, буде погашена, а кінетична енергія перейде у роботу деформації стінок і рідини. При цьому стінки труби розтягуються, а рідина стискається відповідно підвищенню тиску ∆р.
На загальмовані частки біля крану набігають інші, сусідні з ними частки і також втрачають швидкість, внаслідок чого переріз п-п переміщується ліворуч із швидкістю С, яку називають швидкістю ударної хвилі, сама ж перехідна область, в якій тиск змінюється на величину ∆р, називається ударною хвилею.
Рис. 1 Схема гідравлічного удару.
Коли ударна хвиля переміститься до резервуару А, рідина буде зупинена і стиснена по всій трубі, а стінки труби - розтягнутими. Ударне підвищення тиску ∆р розповсюджується по всій трубі. Але таке становище не є урівноваженим. Під дією перепаду тиску частинки рідини спрямовуються з труби до резервуару, при чому цей рух почнеться від перерізу, який безпосередньо прилягає до резервуару. Тепер переріз п-п переміщується у зворотному напрямку - до крану - з тією ж швидкістю С, залишаючи за собою зрівняний тиск р.
Рідина і стінки труби вважаються пружними, тому вони повертаються до колишнього стану, який відповідає тиску р. Робота деформації повністю переходить у кінетичну енергію, і рідина у трубі набуває початкової швидкості v, але яка спрямована тепер у протилежну сторону.
З цією швидкістю рідина намагається відірватися від крана, внаслідок чого виникає від'ємна ударна хвиля під тиском р - ∆р, яка спрямована від крану до резервуара зі швидкістю С, залишаючи за собою стиснені стінки труби і розширену рідину, це обумовлено зниженням тиску. Кінетична енергія рідини знову переходить у роботу деформації, але протилежного знаку.
Стан труби у момент приходу від'ємної ударної хвилі не є урівноваженим. Далі іде процес вирівнювання тиску у трубі і резервуарі, який супроводжується виникненням руху рідини із швидкістю v.
Очевидно, що як тільки ударна хвиля під тиском ∆р, яка відбилася від резервуару, досягне крана, виникне ситуація, яка вже мала місце у момент закриття крана. Весь цикл гідравлічного удару повторюється.
Протікання дійсного гідравлічного вдару у часі можна проілюструвати діаграмою (Рис.2).
Суцільними лініями наведений наближений вигляд картини зміни тиску у часі. Тиск нарощується (а також падає), хоч і круто, але не миттєво.
Крім того, має місце загасання коливань тиску, тобто зменшення його амплітудних значень із-за тертя і відхід енергії в резервуар.
Рис. 2 Коливання тиску при гідравлічному ударі.