Актуальность, научная значимость темы и практическая ценность результатов работы
Определение скорости распространения ударной волны
Направление для дальнейших исследований
К традиционным источникам относят средства выработки энергии, функционирующие на нефти, угле и природном газе. Все это - невозобновимые источники. Планета обладает ограниченными их запасами. И это ставит перед человечеством проблему поиска новых способов выработки энергии, ведь через некоторое время эти запасы могут закончиться. Энергосберегающие технологии и охрана природы - важнейший аспект промышленности ближайшего времени.
Истощение месторождений нефти, угля и газа грозит глобальной энергетической катастрофой. Для её недопущения ведутся разработки альтернативных источников энергии.
Человечество столетиями использует силу падающей воды в различных механических устройствах и, в том числе, для получения электрической энергии. Гидростанции, построенные на некоторых реках, непрерывно работают десятки лет. Однако природа подарила нам в падающей воде не только источник бесплатной энергии, но и простейший способ преобразования естественной гравитационной энергии.[1]
В связи с этим я приступил к исследованию явления гидравлического удара и использования его для получения дешевой энергии. Одним из механизмов является гидравлический таран, в котором процессы, происходящие при гидравлическом ударе, используются для подъема воды.
Таким образом, актуальность исследования гидравлического удара как источника энергии состоит в том, что разрабатываемое устройство на его основе может работать без сжигания топлива или больших затрат электроэнергии, а так же будет простым в эксплуатации и по конструкции.
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 , 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 останавливаться из-за 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. [4]
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 происходит 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 длиной L его открытому концу. Скорость распространения ударной волны, если трубопровод и жидкость по длине однородны, будет постоянна, обозначим ее через а.
Через время t=L/a, в течении которого ударная волна достигнет открытого конца трубопровода, вся жидкость в трубопроводе остановиться.
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 – жидкость в емкости, находящаяся в нормальном состоянии, вторая - жидкость в трубопроводе, находящаяся в сжатом состоянии, которая не может оставаться там в состоянии покоя. Как сжатая пружина свободная с одной стороны 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 от резервуара к задвижке. Причем вместе со спадом давления будет приходить в движение жидкость в трубопроводе со скоростью, направленной в сторону, противоположную начальной.[6] 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 а и гасит давление, которое создала первая ударная волна. Когда волна понижения давления ко времени Т,
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 прекратиться, когда слой жидкости у задвижки, разжавшись вследствие падения давления, остановиться. После этого произойдет падения 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, в этот момент 
вся жидкость в трубопроводе будет неподвижна и будет иметь пониженное давление. В этом состоянии жидкость в трубопроводе не может оставаться в покое. Так как давление в резервуаре больше чем в трубопроводе, то в следствие своей упругости жидкость начнет перемещаться, но теперь уже от открытого конца к задвижке. При этом в трубопроводе начнется процесс восстановления начального давления и начальной скоростью.
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 
достигнет задвижки во всем трубопроводе будут восстановлены и начальная скорость и давление. Но так как задвижка продолжает оставаться закрытой, а жидкость свое движение продолжать не может, у задвижки снова возникает удар. Если пренебречь рассеянием 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, а давление в зависимости от времени будет изменяться так, как показано на рис. 1 - такой удар называется прямым.
Для определения величины давления, которое возникает при ударе в случае мгновенного перекрытия задвижки, рассмотрим явление у задвижки. За время dt после возникновения удара прекратится движение жидкости и возрастет давление только на длине dl = adt (рис. 2), где а — скорость волны.
В потоке левее сечения А еще будут начальное давление р и начальная скорость v. У задвижки (в сечении В) давление будет равно давлению удара; часть трубопровода будет деформирована, как показано пунктиром.
Воспользуемся уравнением Эйлера (8-28), распространив его на поток аналогично тому, как это было сделано в § 10-6. Для горизонтального трубопровода (z=const ) будем иметь:
Умножив обе части уравнения на dl=adt, получим:
Пренебрегая перемещением частиц за время удара, можно рассматривать dv как изменение скорости в некотором живом сечении, то есть отнести это изменение к точке поля.
Таким образом, интегрирование надо произвести в пределах от р до руд и от v до 0. При этом получим:
Это и есть формула Н.Е. Жуковского. Н.Е. Жуковский принимал β=1. [5]
Рассмотрим отсек жидкости длиной ΔS с начальной площадью сечения w. Выше сечения n-n движение жидкости происходит как и до закрытия со скоростью V0. В связи с этим за период времени Δt в рассмотренный отсек поступит дополнительный объем жидкости ΔW.
За время Δt объем отсека увеличится за счет растяжения стенок трубы под действием повышения давления на величину ΔW1.
Кроме того начальный объем жидкости в отсеке wΔs в результате повышения давления Δp уменьшится за счет сжатия жидкости на ΔW2. Исходя из закона сохранения массы жидкости при гидравлическом ударе и пренебрегая бесконечно малыми величинами второго порядка, можно записать:
Объем ΔW1 можно найти из условия роста первоначальной площади живого сечения w на Δw до величины w1 при растяжении стенок трубы от r0 до 
.
Уменьшение первоначального объема wΔs за счет сжатия жидкости
где βc - коэффициент объемного сжатия, с учетом того что 
где Eж - модуль объемного сжатия жидкости.
Подставив значения ΔW, ΔW1, ΔW2 получим
или
Так, как 
, а 
, можно записать зависимость в виде
Или как переход к пределам
Откуда
Для того чтобы перейти к использованию на практике полученной зависимости отметим следующее.
Рассмотрим относительную деформацию площади трубопровода, пренебрегая бесконечно малыми второго порядка,
Из механики упругих тел известно, что относительная деформация 
может быть выражена в зависимости от растягивающего напряжения, что вызывается ею, в материале трубы Δσ и модуля его упругости Eтр по закону Гука
то есть
Из физики известно, что напряжение в стенках трубопровода σ может быть выражено формулой Мариотта
где е - толщина стенок.Тогда
или
Подставив выражение, после незначительных превращений получим зависимость для определения скорости
Где d и σ — внутренний диаметр и толщина стенок трубы, E и Eж — модули упругости материала стенок трубы и жидкости.[5]
Гидравлический таран состоит из водоисточника 1, питательного трубопровода 2, рабочей коробки 3 с двумя клапанами 4 и 5, водовоздушного колпака 6, нагнетательного трубопровода 7 и приемного резервуара 8 (рис. 3).
Устройство работает следующим образом. При открытии ударного клапана 4 жидкость из водоисточника 1 начинает поступать в питательный трубопровод 2 под напором H1. При этом расход жидкости Q1 затрачивается на создание скорости течения жидкости в питательном трубопроводе, которая удаляется через отверстие ударного клапана 4. По мере увеличения скорости течения увеличивается сила воздействия жидкости на тарель ударного клапана 4, в результате чего последний начинает закрываться. Продолжительность времени от открытия до закрытия ударного клапана называется периодом разгона. На продолжительность периода разгона, в основном, влияет настройка работы ударного клапана 4. С целью повышения производительности гидротарана следует стремиться к созданию в питательном трубопроводе максимально возможной скорости течения жидкости.[2]
При закрытии ударного клапана в питательном трубопроводе 2 возникает гидравлический удар, сопровождающийся значительным повышением давления в конце питательного трубопровода 2. Этот период работы гидротарана называется ударным периодом. Следует отметить, что при закрытии ударного клапана возникает давление, значительно превышающее давление, необходимое для открытия нагнетательного клапана 5. Такое непроизводительное повышение давления уменьшает производительность гидротарана.
Напор H1, который необходим для открытия нагнетательного клапана, в свою очередь, может значительно превышать напор H2, необходимый для нагнетания жидкости в водовоздушный колпак 6.
В [4] рекомендуется способ, уменьшающий непроизводительное повышение давления в конце питательного трубопровода при закрытии ударного клапана.
При открытии нагнетательного клапана 5 часть жидкости из питательного трубопровода 2 поступает в водовоздушный колпак 6. В результате в начальный момент открытия нагнетательного клапана 5 давление в конце питательного трубопровода уменьшается до значения, меньшего (рис.2), а затем быстро восстанавливается до значения. Как только в конце питательного трубопровода 2 устанaвливается постоянный напор , который незначительно больше высоты нагнетания , начинается рабочий период нагнетания гидротарана. От продолжительности этого периода зависит производительность гидротарана.[3]