Физическая сущность явления гидравлического удара и методы снижения ударного давления

Гидравлическим ударом в трубах называется резкое увеличение давления при очень быстром (практически мгновенном) уменьшении скорости движения жидкости (например, при очень быстром за­крытии пробкового крана).

Основная схема физического процесса явления гидравлического удара по теории Н.Е. Жуковского заключается в следующем (рис. 5.1).

Рис. 5.1

Будем считать жидкость не вязкой, а сжимаемой и под­чи­ня­ю­щейся закону Гука, а трубопровод абсолютно жестким. Фи­зи­ческий процесс, протекающий при гидравлическом ударе, представ­ля­ет собой четыре фазы преобразования энергии движущейся жид­кости.

Первая фаза. При внезапном и полном закрытии задвижки в конце трубопровода вся движущаяся в нем жидкость должна ос­тановиться. Реальная жидкость, обладающая свойством упругости, останавливается постепенно, сжимаясь от слоя к слою, начиная от конца трубопровода. Фронт остановившейся жидкости (сечение n – n) будет перемещаться от задвижки к резервуару. В остановившемся объеме между задвижкой и сечением n – n возникает дополнительное давление D р. Скорость перемещения этого фронта называется ско­ростью распространения ударной волны и обозначается символом С_v:

,

Таким образом, упругая деформация сжатия и повышения дав­ле­ния распространяется вверх по течению и за время T достигает кон­ца трубы. При этом освободившееся пространство на расстоянии D l заполняется жидкостью из резервуара.

В конце первой фазы вся жидкость в трубе неподвижна (v ₀ = 0) и находится под давлением: р + D р.

Плотность жидкости при этом увеличивается до r¢ = r + Dr.

Вторая фаза. Начало второй фазы совпадает с концом первой. Жидкость в трубе сжата, но не уравновешена давлением в резер­вуа­ре, где давление p. Поэтому жидкость в трубе начинает расширяться в сторону ре­зер­вуара. Сначала приобретают движение слои жид­кос­ти, близкие к резервуару, а затем фронт спада давления n – n станет перемещаться от резервуара к задвижке со скоростью С_v.

К концу второй фазы вся жидкость в трубе окажется в дви­жении со скоростью v в сторону резервуара и давление в трубе вос­становится до первоначального.

Третья фаза. (Фаза растяжения и остановки движения). В на­чаль­ный момент вся жидкость движется в обратную сторону и стре­мится оторваться от задвижки.

Если отрыва не произойдет, то начнется растяжение жидкости с дальнейшим понижением давления до р ² = р – D р. В конце третьей фазы вся жидкость останавливается и находится под действием по­ниженного давления.

Это состояние оказывается также неуравновешенным, т.к. дав­ление в резервуаре равно р, а в трубе р – D р.

Четвертая фаза. (Фаза восстановления движения до состояния, имевшего место перед закрытием задвижки). В начале четвертой фазы жидкость из резервуара начнет втекать в трубку со скоростью ₀ и давление будет повышаться до р. Фронт первоначального дав­ления n – n будет перемещаться в сторону задвижки со скорость рас­пространения ударной волны С_v. К концу четвертой фазы ско­ростью движения по всей длине трубы будет равна ₀, а давление р.

Так как задвижка закрыта, то, начиная с конца четвертой фазы, процесс гидравлического удара будет повторяться.

В реальных условиях. когда существуют гидравлические сопро­тив­ления и упругие деформации стенок трубопровода, процесс гид­равлического удара будет более сложным и затухающим. При этом наиболее опасным является первое повышение давления (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Время одного цикла, включающего повышение и понижение давления, называется фазой удара T. Считая скорость ударной вол­ны при повышении и понижении давления одинаковой, определим фазу удара:

.

Если время закрытия задвижки меньше или равно фазе удара (t ₃£ T), то удар называется прямым.

При t ₃ ³ T не вся кинетическая энергия переходит в потен­ци­аль­ную энергию давления и повышение давления при тех же условиях меньше, чем при прямом ударе.

Такой удар называется непрямым.

Так как характеристики движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени, то такой процесс называется неустановившимся.

Гидравлический удар может возникнуть при внезапной остановке насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резерву­ар (рис. 5.3).

Рис. 5.3

После выключения насоса жидкость некоторое время будет дви­гаться по инерции в сторону резервуара со скоростью ₀ и в трубо­про­воде образуется пониженное давление. Затем начинается обрат­ное движение жидкости из резервуара в область пониженного дав­ления. В трубопроводе и задвижке давление повысится подобно тому, как это имело место при прямом ударе.

Разработка способов гашения гидравлического удара основана на теоретических закономерностях явления. Впервые Н.Е. Жуковский предложил способы устранения или незначительного уменьшения гидравлического удара.

Так, в водопроводной сети стали использоваться всевозможные вентили вместо «пробковых» кранов. За счет более медленного пе­ре­крытия трубопровода значительно снижается эффект гидрав­ли­ческого удара.

В системах, где это сделать невозможно, сооружаются спе­ци­аль­ные открытые емкости, так называемые уравнительные резервуары.

При возникновении гидравлического удара вода из водовода через отверстие в диафрагме поступает в полость резервуара и тем самым снижает уровень давления в ударной волне.

В водоводах устанавливают специальные клапаны или пред­охранительные диафрагмы. По длине водовода монтируются воздуш­ные колпаки, которые амортизируют повышение давления.

На насосных станциях в начале напорных трубопроводов уста­навливаются противоударные аппараты. При остановке насоса часть воды выливается через клапан без повышения давления, пос­ле чего клапаны закрываются.