Работа 6. Экспериментальное исследование прямого гидравлического удара в напорном трубопроводе

Вводная часть. Гидравлическим ударом называется изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия затвора).

Повышение давления при гидравлическом ударе может быть настолько большим, что способно привести к разрыву трубопровода.

При быстром закрытии затвора сначала остановится не вся масса жидкости, заключенная в трубопроводе, а лишь часть ее, находящаяся непосредственно перед затвором (рис. 6.1). Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает). Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопроводу от затвора к резервуару. Скорость распространения волны повышения давления называют скоростью распространения ударной волны С. После того как во всем трубопроводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар и давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара и давление снова повысится. Благодаря упругим свойствам жидкости и стенок трубопровода этот процесс довольно быстро затухает. Наиболее опасным является первое повышение давления.

Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время t=l/d (здесь l — длина трубопровода). Время одного цикла, включающего повышение и понижение давления, называются фазой удара T=2l/d.

Если время закрытия t_з затвора меньше или равно фазе удара Т (t_з£Т), удар называется прямым. Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса по инерции некоторое время будет двигаться, и в трубопроводе возникнет пониженное давление. Затем начнется обратное движение жидкости из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе и давление здесь повысится подобно тому как это наблюдалось при прямом ударе. Из изложенного ясно, что параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени. Следовательно, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся.

Для определения повышения давления Dр при прямом гидравлическом ударе Н. Е. Жуковским в 1898г. предложена формула:

Δ p = ρCυ, (6.1)

где r — плотность жидкости;

С — скорость распространения ударной волны;

u — средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до закрытия затвора (при установившимся движении).

Величину С вычисляют по формуле:

(6.2)

где — скорость звука в жидкой среде (для воды С_зв»1425 м/с;

Е_ж и Е_тр — модули упругости, соответственно, жидкости и материала трубопровода (для воды Е_ж»1,96·10⁹ Па, для стали Е_тр»1,96·10¹¹Па);

d — внутренний диаметр трубопровода;

d — толщина стенки трубопровода.