Вводная часть. Гидравлический удар – изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например

Гидравлический удар – изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия затвора).

Повышения давления при гидравлическом ударе может быть настолько большим, что способно привести к разрыву трубопровода.

При быстром закрытии затвора сначала останавливается не вся жидкость, заключённая в трубопроводе, а лишь ее часть, находящаяся непосредственно перед затвором (рис. 6.1). Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает). Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопроводу от затвора к исходному резервуару. Скорость распространения повышения давления называют: скорость распространения ударной волны (с). После того, как во всем трубопроводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар и давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара и давление снова повысится. Из-за упругих свойств жидкости и стенок трубопровода этот процесс поддерживается, но, благодаря трению жидкости о стенки трубопровода и ее вязкости (внутреннему трению), он довольно быстро затухает. Наиболее опасным является первое повышение давления.

Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время t = l / d (здесь l ‑ длина трубопровода, d ‑ его диаметр). Время одного цикла, включающего и повышение, и понижение давления, называется фазой удара: T = 2 l / d.

Если время закрытия t _з затвора меньше или равно фазе Т удара, он называется прямым.

Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса еще некоторое время по инерции будет продолжать движение, и давление в трубопроводе снизится. Затем начнется обратное течение жидкости из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе, и давление здесь повысится подобно тому, как это наблюдалось при прямом гидравлическом ударе после резкого закрытия затвора.

Изложенное показывает, что параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени. Следовательно, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся.

Для определения повышения давления D р при прямом гидравлическом ударе Н.Е. Жуковским в 1898 г. была предложена формула:

(6.1)

где r - плотность жидкости;

С - скорость распространения упругих колебаний в жидкой среде (скорость звука, скорость распространения ударной волны);

u - средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до момента закрытия затвора (при установившимся движении).

Величину С вычисляют по формуле:

(6.2)

где ‑ скорость распространения упругих колебаний (звука) в жидкой среде (для воды с _зв» 1425 м / с;

Е _ж и Е _тр ‑ модули упругости соответственно жидкости и материала трубопровода (для воды Е _в» 1, 96 × 10⁹ Па, для стали Е _тр» 1, 96 × 10¹¹ Па);

d ‑ внутренний диаметр трубопровода;

d ‑ толщина стенки трубопровода.

Описание установки.

Рис. 6.1. Установка для изучения явления гидравлического удара при резком изменении расхода жидкости в трубопроводе.

Установка (см. рис. 6.1) содержит напорный резервуар 1, в котором уровень воды во время опытов поддерживается на постоянной отметке с помощью переливного устройства 2, горизонтального стального трубопровода 3. В конце трубопровода 3 имеется вентиль 6 для регулирования скорости движения воды, клапанный затвор 5, позволяющий практически мгновенно перекрывать трубопровод, установленный непосредственно перед ним пружинный манометр 4, с помощью которого измеряют давление жидкости «до» и «в» момент закрытия затвора.

Для измерения расхода воды служит мерный бак 7 с водомерной трубкой 8 со шкалой, и секундомер 9.