Гидравлический удар различают прямой и непрямой.

Прямой гидравлический удар происходит при времени закрытия задвижки , где L – расстояние до резервуара или водоема, способного поддерживать постоянное давление;

С – скорость распространения ударной волны в трубопроводе.

В случае прямого гидравлического удара создается полная сила удара.

Непрямой гидравлический удар получается при . Такой удар характеризуется меньшой силой.

Внезапное повышение давления может быть рассчитано по методу М.Е. Жуковского.

Рассмотрим прямой гидравлический удар при внезапном закрытии задвижки в конце трубопровода. Для вывода основных зависимостей применим теорему об уменьшении количества движения. При таком ударе сначала остановится ближайший к задвижке слой воды толщиной между сечениями nn-mm площадью . В этом объеме вода сожмется, и одновременно благодаря их упругости расширятся стенки трубопровода.

До остановки движения воды давление перед задвижкой было P₀, а после остановки увеличивается и будет Р₁, то есть давление возрастет на величину . За бесконечно малый промежуток времени масса жидкости в объеме останавливается и теряет количество движения , где -начальная скорость, а скорость в момент остановки .

Импульс действующих сил за тот же промежуток времени

.

Согласно теореме о количестве движения, его изменение равно импульсу действующих сил за тот же бесконечно малый промежуток времени, и следовательно , откуда .

В связи с тем, что отношение представляет собой скорость распространения ударной волны С в трубопроводе, получим повышение давления

(1)

Повышение напора в трубопроводе

(2).

Определим скорость распространения ударной волны С для упругого трубопровода круглого поперечного сечения.

Рассмотрим отсек жидкости длиной с начальной площадью сечения . Выше сечения движение жидкости происходит, как и до закрытия со скоростью . В связи с этим за период времени в рассматриваемый отсек поступит дополнительный объем жидкости :

.

За время объем отсека увеличивается за счет растяжения стенок трубы под действием повышения давления на величину . Кроме того, первоначальный объем жидкости в отсеке вследствие повышения давления уменьшится за счет сжатия жидкости на .

Исходя из закона сохранения массы жидкости при гидравлическом ударе и пренебрегая бесконечно малыми величинами второго порядка, можно записать

(5).

Объем определяется из условия возрастания первоначальной площади живого сечения на до величины при растяжении стенок трубы от до .

.

Уменьшение первоначального объема за счет сжатия жидкости

,

где - коэффициент объемного сжатия, определенный в соответствии с рекомендациями.

С учетом того, что , где - модуль объемной упругости жидкости .

Подставляя значения , и в (5) получим: ,

или (6)

Так как , а , можно записать зависимость (6) в виде , или как переход к пределам: .

Откуда .

Рассмотрим относительную деформацию площади трубопровода, пренебрегая бесконечно малыми второго порядка, .

Из механики упругих тел известно, что относительная деформация может быть выражена выражена в зависимость от вызываемого ею растягивающего напряжения в материале трубы и модуль его упругости по закону Гука:э , то есть .

Из физики известно, что напряжение в стенках трубопровода может быть выражена формулой Мариотта , где е- толщина стенок.

Тогда , или .

Подставляя последнее выражение и после незначительных преобразований получим зависимость для определения скорости

Из физики известно, что выражение является скоростью звука в жидкой среде.

Для воды .

Тогда для трубопроводов с водой .

Обычно по этой формуле определяют скорость распространения ударной волны и подставляют полученное значение в и .

Определив скорость с, можно найти время, за которое ударная волна достигнет водоема. Достигнув водоема с большим объемом стоячей воды, ударная волна отразится от него и пойдет по трубопроводу обратно к задвижке в виде волны пониженного давления, то есть в этом случае знак волны, будет обратный: там где было повышение, будет понижение. Время, за которое ударная волна пройдет путь до резервуара и вернется обратно к задвижке, называется фазой удара. Этот процесс повторяется с постепенным затуханием.

При движении воды в трубопроводе к расположенному выше резервуару ударная волна начинается с понижения давления, а обратно приходит с повышением.

Непрямой гидравлический удар, имеет место с том случае, если время закрытия задвижки больше фазы удара . Повышение давления или напора в этом случае меньше, чем при прямом ударе, так как , то есть за период фазы удара движение воды в трубопроводе еще не остановилось и поэтому не вся кинетическая энергия потока переходит в потенциальную. Потерянная скорость меньше начальной и пропорциональна фазе удара:

и получаем

; .

Методы борьбы с гидравлическим ударом представляют собой мероприятия по недопущению опасных повышений или понижений давления в трубопроводах и меры по их защите, если опасные колебания давления возникнут. Меры борьбы с гидравлическим ударом зависят от условий подачи воды: подается вода насосами в возвышенный резервуар или идет самотеком из водоема вниз.

Если вода идет самотеком, и задвижка находится на нижнем конце трубопровода, возможны следующие меры:

1.Наиболее часто применяется медленное закрытие задвижки. Эта мера основана на том, что чем больше время закрытия задвижки , тем меньше потерянная скорость в трубопроводе и тем меньше повышение давления от гидравлического удара. Поэтому стремится к устройству задвижек такой конструкции, которые давали бы плавное закрытие, а не неравномерное с быстрым уменьшением проходного отверстия затвора. В связи с этим на трубопроводах малого диаметра следует устанавливать вентили, которые закрываются достаточно медленно, а не задвижки шиберного типа или пробочные краны.

2.На трубопроводах устанавливают уравнительные резервуары, которые представляют собой соединенные с трубопроводом промежуточные резервуары, заполненные водой до высоты, соответствующей нормальному давлению. При гидравлическом ударе в резервуар поступает некоторый объем воды и добавочное давление быстро гасится.

Для этих целей применяют и воздушные колпаки. Если вода подается снизу насосами наверх в резервуар, гидроудар возникает от остановки насоса вследствие прекращения подачи электроэнергии к мотору. В связи с тем, что обратный клапан, устанавливаемый у насоса, закрывается очень быстро, в начале напорного трубопровода , ввиду резкого прекращения подачи воды, возникает гидроудар, который при длинных водоводах практически прямой.

Борьба с такого рода ударами может вестись несколькими путями. Один из них- это установка, такого сбросного устройства, которое при подходе ударной волны открывается и пропускает воду на излив.

3.Другой путь заключается в удалении обратного клапана и пропуске воды в обратном направлении через насос.

4. Применение труб из материалов с малыми модулями упругости (резина и др.)