Гидравлическим ударом называется комплекс явлений, происходящих в капельной жидкости при резком уменьшении ее скорости движения, благодаря чему в жидкости возникает колебательный затухающий процесс, сопровождающийся чередующимся резким повышением и понижением давления.
Удар происходит и тогда, когда в покоящейся жидкости, находящейся в трубопроводе, закрытом только с одной стороны (гидравлический тупик), внезапно создается давление у открытого конца. Это приложенное давление в виде удара распространяется по трубопроводу. В начальной стадии удара одновременно с распространением по длине трубопровода приложенного давления приходит в движение вследствие сжатия заключенная в трубопроводе жидкость.
Вторичное повышение давления происходит после того, как жидкость, пришедшая в движение, вынуждена будет начать останавливаться ввиду того, что трубопровод в конце тупика перекрыт. Такой случай удара происходит в трубопроводах, подводящих топливо от топливных насосов к форсункам бескомпрессорных двигателей или в тупиковых трубопроводах водопроводных систем.
Колебательный процесс изменения давления возникает и при внезапном открытии задвижки, т. е. при быстром сообщения жидкости скорости, что вызывает уменьшение давления. В тех случаях, в которых явление удара используется, а его действие вредно отражается на нормальной работе трубопровода или на его прочности, система должна быть оборудована устройствами, которые не позволили бы осуществить мгновенное уменьшение скорости (запорные устройства вентильного типа), или должны быть установлены приспособления, которые ограничивали бы распространение удара.
Процесс изменения давления в жидкости при перекрытии трубопровода осуществляется следующим образом. Сначала повышается давление в остановившемся слое жидкости непосредственно у закрытой задвижки. Остановка жидкости и повышение давления в трубопроводе происходят постепенно от слоя к слою. Одновременно с постепенной остановкой отдельных слоев в остановившихся слоях происходит увеличение давления. Таким образом, возникшая у задвижки волна повышения давления, или ударная волна, распространяется по трубопроводу длиною l к его открытому концу.
Скорость распространения ударной волны, если трубопровод и жидкость по длине однородны, будет постоянна; обозначим ее через a. Через время t = l/a , в течение которого ударная волна достигнет открытого конца трубопровода, вся жидкость в трубопроводе остановится.
Так как емкость, к которой присоединен трубопровод, велика, то явление удара на жидкость в емкости не распространится. Поэтому к моменту подхода ударной волны к началу трубопровода у емкости создается граница, на которой соприкасаются две среды: первая среда - жидкость в емкости, находящаяся в нормальном состоянии, вторая среда - жидкость в трубопроводе, находящаяся в сжатом состоянии. Совершенно очевидно, что сжатая в трубопроводе жидкость не может оставаться там в состоянии покоя. Как сжатая пружина, свободная с одного конца, жидкость в трубопроводе начнет перемещаться в сторону емкости, приобретая при этом в том же направлении и скорость. Благодаря этому начинается спад давления, который будет распространяться уже от резервуара в сторону задвижки. Причем вместе со спадом давления будет приходить в движение жидкость в трубопроводе со скоростью, направленной в сторону, противоположную начальной. Явление происходит так, как если бы у свободного конца в тот самый момент, когда к нему подошла волна повышения давления, возникла вторая волна- волна понижения давления. Эта волна перемещается в направлении к задвижке с той же скоростью a и гасит давление, которое создала первая ударная волна. Когда волна понижения давления ко времени:
Т =2l/a ,
называемом фазой удара, достигнет закрытой задвижки, вся масса жидкости будет иметь начальное давление и скорость, направленную к резервуару. Ввиду последнего обстоятельства жидкость в трубопроводе в дальнейшем будет стремиться оторваться от задвижки. Вследствие этого давление у задвижки, ставшее начальным, при подходе волны гашения будет продолжать падать, становясь меньшим того, чем оно было до удара. Падение давления прекратится, когда слой жидкости у задвижки, "разжавшись" вследствие падения давления, остановится. После этого произойдет падение давления у смежного слоя и его остановка. Падение давления, сопровождающееся остановкой слоев жидкости, будет распространяться в сторону резервуара. Явление может быть описано так, как если бы у задвижки возникла третья волна - волна снижения давления до значений, ниже нормального.
Когда волна снижения достигнет резервуара, при
3t =3l/a
вся жидкость в трубопроводе будет неподвижна и иметь пониженное давление. В этом состоянии жидкость в трубопроводе не может оставаться в покое. Так как давление в резервуаре больше, чем давление в трубопроводе, то вследствие своей упругости жидкость начнет перемещаться, но теперь уже от открытого конца в сторону задвижки. При этом в трубопроводе начнется процесс восстановления начального давления и начальной скорости. Явление будет происходить так, как если бы у открытого конца трубопровода возникла четвертая волна - волна восстановления начальной скорости и начального давления.
Поэтому, когда волна восстановления ко времени
2Т =4l/a
достигнет задвижки, во всем трубопроводе будут восстановлены и начальная скорость и начальное давление. Но так как задвижка продолжает оставаться закрытой, а жидкость движение свое продолжать не может, то у задвижки вновь возникает удар. Если пренебречь рассеянием (диссипацией) энергии потока, обусловленной работой сил трения и деформацией трубопровода, то вновь возникший удар будет повторять предыдущий. Удар будет иметь периодический характер. В этом случае колебательный процесс будет продолжаться бесконечно долго. Такой удар называется прямым.
|
