Гидродинамический удар

Гидравлический удар 25-9

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.

Источник: StudFiles.net

Основное заблуждение

Ошибочно считается гидравлическим ударом результат заполнения жидкостью надпоршневого пространства в двигателе соответствующей конфигурации (поршневом). Вследствие этого поршень не доходит до мертвой точки и начинает сжатие воды. Это, в свою очередь, приводит к поломке двигателя. В частности, к излому штока либо шатуна, обрыву шпилек в головке цилиндра, разрывам прокладок.

Классификация

В соответствии с направлением скачка давления гидравлический удар может быть:

• Положительным. В этом случае повышение давления происходит вследствие резкого включения насоса либо перекрытия трубы.
• Отрицательным. В данном случае речь идет о падении давления в результате открытия заслонки либо выключения насоса.

В соответствии со временем распространения волны и периодом перекрытия задвижки (либо прочей запорной арматуры), в течение которого образовался гидравлический удар в трубах, его разделяют на:

• Прямой (полный).
• Непрямой (неполный).

В первом случае фронт образовавшейся волны двигается в сторону, обратную первоначальному направлению водяного потока. Дальнейшее движение будет зависеть от элементов трубопровода, которые располагаются до закрытой задвижки. Вполне вероятно, что фронт волны пройдет неоднократно прямое и обратное направление. При неполном гидравлическом ударе поток не только может начать двигаться в другую сторону, но и частично пройти далее через задвижку, если она закрыта не до конца.

Последствия

Самым опасным считается положительный гидравлический удар в системе отопления либо водоснабжения.
и слишком высоком скачке давления может повредиться магистраль. В частности, на трубах возникают продольные трещины, что приводит впоследствии к расколу, нарушению герметичности в запорной арматуре. Из-за этих сбоев начинает выходить из строя водопроводное оборудование: теплообменники, насосы. В связи с этим гидравлический удар необходимо предотвращать либо снижать его силу. Давление воды становится максимальным в процессе торможения потока при переходе всей кинетической энергии в работу по растяжению стенок магистрали и сжатия столба жидкости.

Исследования

Экспериментально и теоретически изучал явление в 1899 г. Николай Жуковский. Исследователем были выявлены причины гидравлического удара. Явление связано с тем, что в процессе закрытия магистрали, по которой идет поток жидкости, либо при ее быстром закрытии (при присоединении тупикового канала с источником гидравлической энергии), формируется резкое изменение давления и скорости воды. Оно не одновременно по всему трубопроводу. Если в данном случае произвести определенные измерения, то можно выявить, что изменение скорости происходит по направлению и величине, а давления – как в сторону снижения, так и увеличения относительно исходного. Все это означает, что в магистрали имеет место колебательный процесс. Он характеризуется периодическим понижением и повышением давления. Весь этот процесс отличается быстротечностью и обуславливается упругими деформациями самой жидкости и стенок трубы. Жуковским было доказано, что скорость, с которой осуществляется распространение волны, находится в прямой пропорциональной зависимости от сжимаемости воды. Также значение имеет величина деформации стенок трубы. Она определяется модулем упругости материала. Скорость волны зависит и от диаметра трубопровода. Резкий скачок давления не может возникнуть в магистрали, наполненной газом, поскольку он достаточно легко сжимается.

Ход процесса

В автономной системе водяного снабжения, например загородного дома, для создания давления в магистрали может использоваться скважинный насос. Гидравлический удар возникает при внезапном прекращении потребления жидкости – при перекрытии крана. Водяной поток, совершавший движение по магистрали, неспособен останавливаться мгновенно. Столб жидкости по инерции врезается в водопроводный «тупик», который образовался при закрытии крана. От гидравлического удара реле в данном случае не спасает. Оно только лишь реагирует на скачок, отключая насос после того, как будет перекрыт кран, а давление превысит максимальное значение. Выключение, как и остановка водяного потока, не осуществляется мгновенно.

Примеры

Можно рассмотреть трубопровод с постоянным напором и движением жидкости, имеющим постоянный характер, в котором был резко закрыт клапан или внезапно перекрыта задвижка. В скважинной системе водоснабжения, как правило, гидравлический удар возникает в случае, когда обратный затворный элемент располагается выше, чем статический уровень воды (на 9 метров и более), либо имеет утечку, в то время как находящийся выше следующий клапан удерживает давление. И в том, и в другом случае имеет место частичное разряжение. В следующем пуске насоса протекающая с высокой скоростью вода будет заполнять вакуум. Жидкость соударяется с закрытым обратным клапаном и потоком над ним, провоцируя скачок давления. В результате происходит гидроудар. Он способствует не только образованию трещин и разрушению соединений. При возникновении скачка давления повреждается насос или электродвигатель (а иногда и оба элемента сразу). Такое явление может возникнуть в системах объемного гидравлического привода, когда применяется золотниковый распределитель. При перекрытии золотником одного из каналов нагнетания жидкости возникают процессы, описанные выше.

Защита от гидравлических ударов

Сила скачка будет зависеть от скорости потока до и после перекрытия магистрали. Чем интенсивнее движение, тем сильнее удар при внезапной остановке. Скорость самого потока будет зависеть от диаметра магистрали. Чем больше сечение, тем слабее движение жидкости. Из этого можно сделать вывод о том, что использование крупных трубопроводов снижает вероятность гидроудара или ослабляет его. Еще один способ заключается в увеличении продолжительности перекрытия водопровода либо включения насоса. Для осуществления постепенного перекрытия трубы используются запорные элементы вентильного типа. Специально для насосов применяются комплекты по плавному пуску. Они позволяют не только избежать гидроудара в процессе включения, но и существенно увеличивают эксплуатационный срок насоса.

Компенсаторы

Третий вариант защиты предполагает применение демпферного устройства. Оно представляет собой мембранный расширительный бак, который способен «гасить» возникающие скачки давления. Компенсаторы гидравлического удара работают по определенному принципу. Он заключается в том, что в процессе увеличения давления происходит перемещение поршня жидкостью и сжатие упругого элемента (пружины или воздуха). В результате ударный процесс трансформируется в колебательный. Благодаря рассеиванию энергии последний затухает достаточно быстро без существенного повышения давления. Компенсатор применяют в линии наполнения. Его заряжают сжатым воздухом при давлении 0,8-1,0 МПа. Расчет производится приближенно, в соответствии с условиями поглощения энергии движущего столба воды от наполнительного бака или аккумулятора до компенсатора.

Источник: fb.ru

В силу плавности движения жидкости для любой точки живого сечения потенциальная энергия Еп = Z + p/?g. Удельная кинетическая Еk= X?²/2g. Поэтому для сечения 1–1 полная удельная энергия

Сумму правой части (1) также называют гидродинамическим напором Н. В случае невязкой жидкости U²= x?². Теперь остается учесть потери напора h_пр жидкости при ее движении к сечению 2–2 (или 3–3).

Например, для сечения 2–2:

Следует отметить, что условие плавной изменяемости должно быть выполнено только в сечениях 1–1 и 2–2 (только в рассматриваемых): между этими сечениями условие плавной изменяемости необязательно.

В формуле (2) физический смысл всех величин приведен ранее.

В основном все так же, как и в случае с невязкой жидкостью, основная разница в том, что теперь напорная линия Е = Н= Z + p/?g + X?²/2g не параллельна к горизонтальной плоскости сравнения, поскольку имеет места потери напора

Степень потери напора hпр по длине называют гидравлическим уклоном J. Если потеря напора h_пр происходит равномерно, то

Числитель в формуле (3) можно рассматривать как приращение напора dH на длине dl.

Поэтому в общем случае

Знак минус перед dH/dl – потому, что изменение напора по его течению отрицательно.

Если рассмотреть изменение пьезометрического напора Z + p/?g, то величину (4) называют пьезометрическим уклоном.

Напорная линия, она же линия удельной энергии, находится выше пьезометрической линии на высоту u²/2g: здесь то же самое, но только разница между этими линиями теперь равна x?²/2g. Эта разница сохраняется также при безнапорном движении. Только в этом случае пьезометрическая линия совпадает со свободной поверхностью потока.

Следующая глава >

Источник: tech.wikireading.ru