3.8 Практическое занятие «Гидравлический удар» Основные сведения

Гидравлическим ударом называется колебательный процесс, при котором происходит периодическое изменение давления в трубопроводе, возникающее вследствие изменения скорости движения жидкости.

Например, при закрытии задвижки в конце трубопровода примыкающие частицы жидкости затормаживаются, и в этой зоне повышается давление. Затем тормозятся соседние частицы жидкости. В результате зона повышенного давления быстро расширяется, занимая весь трубопровод. При этом создается неравновесное состояние, так как давление, возникшее в трубопроводе, превышает давление, создаваемое напорным резервуаром. Поэтому жидкость начнет вытекать из трубопровода, и давление в нем понизится. Из-за инерции жидкости давление станет меньше, чем давление в напорном баке, поэтому жидкость будет вновь вытекать в трубопровод и тормозиться у задвижки. То есть весь процесс повторяется. Таким образом, при гидравлическом ударе через трубопровод проходят волны повышенного давления.

Поверхность, разделяемая движущуюся и заторможенную жидкость, называется фронтом волны гидравлического удара. Для определения изменения давления в трубопроводе при гидравлическом ударе используются формулы Н.Е.Жуковского:

, (3.46)

, (3.47)

где  — плотность жидкости;

с — скорость распространения фронта волны гидравлического удара;

υ — изменение скорости, в результате которой возникает гидравлический удар;

—скорость распространения звука в безграничном объеме данной жидкости;

Е_Ж — модуль упругости жидкости;

Е — модуль упругости материала трубопровода;

d — диаметр трубопровода;

 — толщина стенок трубопровода.

Рисунок 3.14 — Схема гидравлического удара

Эти формулы справедливы для прямого удара, то есть такого, когда возникает при очень быстром закрытии задвижки. Практически считается, что данное условие выполняется, если

, (3.48)

где t_з — время закрытия задвижки;

Т — время возвращения к задвижке фронта волны гидравлического удара (при этом давление у задвижки понижается);

l — длина трубопровода.

Если время закрытия больше и условие (3.48) не выполняется, то удар называется непрямой. При непрямом ударе повышение давления может быть значительно меньше, чем при прямом. Изменение давления при непрямом ударе приближенно определяется по формуле:

. (3.49)

Пример расчета

Исходные данные: длина трубопровода l = 25 м, диаметр d = 150 мм, площадь поперечного сечения S = 1,76 дм², толщина стенок  = 12 мм, материал — чугун, время закрытия задвижки (крана), установленной в конце трубопровода t_З = 0,02 с, расход воды в трубопроводе при открытой задвижке Q = 30л/с.

Требуется определить повышение давления в трубопроводе при полном закрытии задвижки.

Порядок расчета:

а) вычисляется скорость распространения фронта ударной волны по формуле (3.47), для чего предварительно находятся по приложению 2 модуль упругости чугуна Е = 98100 МПа и модуль упругости воды Е_ж = 2030 МПа, а по приложению 1 — плотность воды  = 1000 кг/м³.

б) определяется вид гидравлического удара, для чего сравнивается время, необходимое фронту волны для добегания до напорного резервуара и возвращения обратно со временем закрытия задвижки.

Из зависимости (3.48) следует, что

Следовательно, удар прямой, поэтому для расчета ударного давления используем зависимость (3.46).

в) находим изменение скорости, в результате которой возникает гидравлический удар, а затем по формуле (3.46) — ударное давление.

Скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки вычисляется с помощью уравнения неразрывности (3.28):

При полном закрытии задвижки конечная скорость будет равна нулю, и, соответственно, изменение средней скорости движения жидкости в трубопроводе υ = –1,7 м/с.

Тогда