Гидравлический удар в трубах

Гидравлический удар в трубопроводах происходит при резком закрытии запорного органа. Он сопровождается шумовыми эффектами, сотрясением, а иногда и разрывом труб.

Теория гидравлического удара разработана Н.Е. Жуковским. Она принесла ему мировую известность еще до публикации работ по подъемной силе крыла. В соответствии с этой теорией в заторможенном слое жидкости, непосредственно примыкающем к запорному органу, под действием набега-ющего потока происходит повышение давления на величину Dр (рис.38, a), сопровождающееся сжатием жидкости и деформированием стенок трубопро-вода. Этот процесс, называемый прямой ударной волной, со скоростью с, достигающей сотен метров в секунду, распространяется на остальные слои жидкости вплоть до входа в трубопровод (рис.38, б). Так как давление в трубопроводе становится выше постоянного давления в резервуаре, то жид-кость в примыкающем к резервуару слое расширяется и некоторое ее коли-чество выталкивается в резервуар, что приводит к уменьшению давления в этом слое до первоначального значения p. Процесс понижения давления в виде отраженной волны распространяется вплоть до запорного органа, а вся жидкость в трубопроводе приходит в движение в сторону резервуара (рис.38, в). Если она и стенки трубопровода являются абсолютно упругими, то запасенная на первом этапе потенциальная энергия полностью превращается в кинетическую и скорость жидкости приобретает исходное значение (рис.38, г). Когда примыкающий к запорному органу слой жидкости расширяется и стремится от него оторваться, падает давление на величину Δ р, равную повышению давления при прямом ударе, и возникает направленная к резер-вуару отрицательная волна, за фронтом которой происходит расширение жидкости и сжатие стенок трубопровода (рис.38, д). После ее прохождения давление в трубопроводе становится меньше давления в резервуаре, жидкость вновь устремляется в трубопровод и все процессы повторяются. При отсутствии потерь они продолжаются бесконечно долго. В реальных условиях часть энергии жидкости расходуется на неупругую деформацию стенок трубопровода и в виде тепла трения рассеивается в окружающей среде. Повторные гидравлические удары поэтому постепенно затухают.

+Δ p

a) v v=0

c

+Δ p;

б)

v=0

+Δ p

в)

v v=0

c

г)

v

д) -Δ p

Рис.38

При торможении потока в ходе прямого удара его кинетическая энергия расходуется на работу сжатия жидкости и работу деформации стенок трубо-провода

.

Можно показать, что

где r – радиус трубопровода;

Е – модуль упругости жидкости, для воды равный 2080 МПа;

δ – толщина стенки трубопровода;

Ест – модуль упругости материала трубопровода, для стали равный 196 ГПа.

Учитывая, что масса жидкости составляет

получим

где

Если трубопровод абсолютно жесткий, т.е. Ест =∞, то

где

Повышение давления при прямом ударе в металлических трубопроводах достигает 1, 5 МПа на каждый 1 м/c гашения скорости.

Если время закрытия τ з превышает длительность фазы ударной волны τ ф, под которой понимают общее время пробега прямой и отраженной волны, то повышение давления составит

.

Как видно, для уменьшения последствий ударной волны следует увеличивать время закрытия запорного органа.