Гидравлический удар. Формула Жуковского

Если при движении жидкости в трубопроводе резко изменить скорость течения (например, закрыть задвижку), то в трубопроводе возникнет так называемый гидравлический удар, вызванный изменением давления (рис.4.9)

Рис.4.9. Схема возникновения гидравлического удара

После закрытия задвижки В, вследствие инерции, не вся масса жидкости прекращает течение мгновенно. Вначале останавливается слой жидкости, непосредственно соприкасающийся с задвижкой, затем последовательно останавливаются слои жидкости на увеличивающемся расстоянии. При этом, вследствие инерции и сжимаемости жидкости, слой жидкости у задвижки сжимается (т. е. уплотняется). Это приводит к увеличению давления в зоне около задвижки. Граница области повышенного давления (а следовательно, и сжатия) будет распространяться по трубопроводу в направлении, противоположном движению жидкости. С течением времени волна повышенного давления достигнет начального сечения трубопровода. Затем, вследствие упругости жидкости, после остановки и сжатия жидкости в трубе, начнется упругое ее расширение и, соответственно, понижение давления. После этого, опять-таки, вследствие упругих свойств жидкости, начнется ее сжатие в трубе и т. д.

В результате, в каждом сечении трубы возникнут колебания давления и, соответственно, колебания сжатия – разряжения жидкости.

Если жидкость идеальная, а труба абсолютно недеформируемая, то эти колебания будут продолжаться бесконечно. В реальной жидкости, вследствие наличия внутреннего вязкого трения, эти колебания будут затухающими.

Максимальное повышение ударного давления при внезапной остановке или изменении скорости течения жидкости называется гидравлическим ударом.

Величина гидравлического удара при частичном резком уменьшении скорости течения жидкости может быть определена по формуле Жуковского:

,

где – величина изменения скорости;

– плотность жидкости.

a – скорость распространения ударных волн, вызванных прикрытием задвижки; равна скорости звука в жидкости.

При полном закрытии задвижки ( ) изменение давления будет наибольшим:

.

Скорость движения ударной волны при гидравлическом ударе – а зависит от упругих свойств жидкости и упругости стенок трубопровода:

где – модуль упругости материала трубы;

– толщина стенок трубы.

– модуль объемной упругости жидкости;

d – диаметр трубопровода.

Для предотвращения или снижения величины гидравлического удара используются следующие методы:

1. Медленное закрытие задвижек и других запорных устройств на трубопроводах (особенно на магистральных нефтепроводах).

2. Установка на трубопроводах воздушных колпаков (пневмоаккумуляторов).

3. Использование в гидросистемах (особенно в гидроприводах) легкодеформируемых трубопроводов (резинотканевых рукавов).

Гидромашины.