Возникновение гидравлического удара

Гидравлическим ударом называют резкое изменение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном изменении скорости потока жидкости.

Строго говоря, гидравлический удар представляет собой колебательный процесс, возникающий в упругом трубопроводе с жидкостью при внезапном изменении ее скорости. Процесс протекает очень быстро и характеризуется чередованием повышений и понижений давления, связанных с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.

При резком уменьшении скорости движения воды (гидравлическом ударе), например, в стальных трубопроводах, при уменьшении скорости на 1 м/с давление возрастает приблизительно на 1–1,2 МПа. Из-за этого могут возникать осложнения в нормальной работе трубопровода вплоть до разрыва стенок и, как следствие, аварии оборудования насосных станций.

Рассмотрим процесс возникновения и существования гидравлического удара.

Пусть при движении жидкости по трубопроводу со скоростью мгновенно закрылся кран, перекрывающий трубопровод (рис. 8.1.а). Частицы жидкости, натолкнувшись на закрытый кран, останавливаются, и их кинетическая энергия переходит в работу деформации стенок трубы и частиц жидкости. Стенки трубы при этом несколько растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с повышением давления ∆p_уд. Пренебрегать сжимаемостью жидкости, как мы делали при рассмотрении других явлений гидравлики, в этом случае нельзя, потому что малая сжимаемость жидкости и является причиной возникновения большого ударного давления.

На остановившиеся частицы жидкости у закрытого крана набегают соседние частицы, они тоже останавливаются, теряя скорость.

Рис. 8.1

В результате, в трубопроводе возникает узкая переходная область (сечение n–n на рис. 8.1.а), соответствующая границе остановившейся жидкости, в которой давление жидкости меняется на величину ∆p_уд. Эта область называется ударной волной, и она перемещается прочь от закрытого крана со скоростью c, называемой скоростью ударной волны. Когда ударная волна дойдет до конца трубопровода (до напорного резервуара, насоса), жидкость окажется остановленной и сжатой во всем трубопроводе, стенки трубопровода по всей длине окажутся растянутыми, ударное повышение давления ∆p_уд распространится на всю длину трубы (рис. 8.1.б).

Такое состояние не является равновесным. Под действием перепада давления ∆p_уд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, такое движение начнется с сечения, прилегающего к резервуару. Сечение n–n, определяющее скачок давления (ударную волну), начнет перемещаться в обратном направлении – к закрытому крану. Движется оно также со скоростью c, оставляя за собой жидкость с давлением p₀ (рис. 8.1.в). Жидкость и стенки трубы являются упругими, работа их деформации при возвращении к исходному состоянию переходит в кинетическую энергию жидкости, и жидкость начинает двигаться с первоначальной скоростью , но направленной в противоположную сторону.

Когда фронт волны дойдет до закрытого крана, вся жидкость в трубопроводе стремится двигаться в резервуар со скоростью . Из-за этого у закрытого крана возникает разряжение (жидкость стремится оторваться от крана), в результате которого возникает отрицательная ударная волна с давлением (p₀ – ∆p_уд). Эта ударная волна движется от закрытого крана со скоростью c, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся (из-за снижения давления) жидкость (рис. 8.1.д). Кинетическая энергия жидкости снова переходит в работу деформации, но противоположного знака. Сжавшаяся труба (рис. 8.1.е) после прохода отрицательной ударной волны, также не находится в равновесном состоянии. Происходит выравнивание давления в трубе и резервуаре, при этом возникает движение жидкости из резервуара по трубе со скоростью (рис. 8.1.ж).

Как только отраженная от конца трубы, противоположного закрытому крану, ударная волна под давлением ∆p_уд достигнет крана, возникает ситуация, аналогичная моменту закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится. Опыты показывают, что возможны 10–15 повторений полных циклов, из-за трения в трубе и рассеивания энергии в резервуаре происходит постепенное уменьшение давления ∆p_уд и затухание удара.

На рис. 8.2 приведена диаграмма изменения давления в некоторой точке сечения трубопровода. Пунктирными линиями показано теоретическое изменение давления, сплошными – действительная картина изменения давления в зависимости от времени.

Рис. 8.2

Такая картина изменения давления будет лишь в случае, когда скачок давления ∆p_уд меньше первоначального давления жидкости в трубопроводе p₀. Тогда при снижении первоначального давления на ∆p_уд давление в трубе остается положительным.

Если же начальное давление p₀ невелико (p₀ < ∆p_уд), то снижение его на ∆p_уд невозможно, абсолютное давление у закрытого крана падает до нуля (p_изб ≈ – 0,1 МПа), жидкость отрывается от крана, возникает кавитация и образуется паровая каверна.

Рис. 8.3

В связи с этим нарушается периодичность процесса, и характер изменения давления во времени получается примерно таким, как показано на рис. 8.3.