Гидравлический удар. Упрощенная модель

Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс, возникающий в трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении скорости ее движения. Этот про­цесс характеризуется чередованием резких повышении и по­нижений давления, происходящих за достаточно малый проме­жуток времени.

Гидравлический удар возникает вследствие быстрого зак­рытия или открытия задвижки, внезапной остановки насосов или турбин, аварии на трубопроводе (разрыв, нарушение стыка) и других причин.

Повышение или понижение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе объясняется инерцией массы жидкости, движущейся в нем.

Этот вид неустановившегося движения жид­кости в трубах часто встречается в практике эксплуатации тру­бопроводов и весьма важен для специалистов, работающих в области монтажа и эксплуатации санитарно-технических уст­ройств.

Впервые гидравлический удар в трубах был изучен Н.Е. Жуковким, который в 1898 г. дал теоретическое обоснование этого явления и предложил метод его расчета.

Рассмотрим упрощенную модель гидравлического удара. Пусть жидкость вытекает из резервуара, размеры которого велики и уровень воды в нем остается постоянным. Режим движения жидкости стационарный, характеристики движения зависят только от продольной координаты. В момент времени затвор мгновенно закрылся, частицы жидкости, соприкасающиеся c затвором мгновенно остановятся, их скорость движении будет погашена, кинетическая энергия потока пойдет на сжатие жидкости и расшире­ние стенок трубы. Вследствие сжатия жидкости давление в ней увеличивается. Таким образом, непосредственно у крана возникнет ударная волна, На остановившиеся частицы жидкости у крана набегают другие, соседние с ними частицы и тоже теряют свою скорость, в результате чего сечение передвигается по трубопроводу от крана к резервуару. Когда ударная волна достигнет резервуара, вся жидкость в трубе от резервуара до крана будет остановлена и сжата, т.е. во всей трубе скорость равна нулю, а давление максимально.

Как только ударная волна дойдет до резервуара, давление жидкости во всей трубе будет больше давления в резер­вуаре, поэтому в следующий момент времени жидкость станет поступать из трубы в резервуар. После прихода ударной волны к резервуару вновь начнется движение жидкости к крану, так будет продолжаться до тех пор, пока колебания не затухнут вследствие потерь энергии на трение и деформацию стенки трубы.

Максимальное давление, возникающее в результате гидравлического удара, рассчитывается по формуле

, (10.9)

где- скорость распространения звука в воде, , зависящая от модуля упругости жидкости и стенок трубопровода.

Если стенки трубы упругие, а модуль упругости жидкости составит , то при температуре воды 10 скорость звука в жидкости принимается . Наблюдаемые скорости ударной волны могут быть значительно ниже, что связано с наличием нерастворенного воздуха, и твердых частиц, которые изменяют модуль упругости жидкости.

Процесс гидравлического удара зависит от того, как быстро закрывается или открывается запорное устройство, при медленном закрытии задвижки, давление можно значительно снизить.