Source of information: http://apeshnik.narod.ru/Gidravlika/gidroudar/gud1.htm
С этим явлением мы сталкиваемся, часто не придавая ему особого значения. Представьте себе жидкость, движущуюся по трубе. Затем мы попробуем ее резко остановить. Что произойдет? То же что происходит, например, при торможении автомашины. Резкое замедление приводит к появлению ощутимых по величине сил инерции. А что если тормозной путь будет равен «0»? Здесь придется рассматривать уже не тормозной путь, а последствия. Ситуация аналогична той, что происходит при остановке жидкости. Причина известна хорошо – жидкость практически несжимаема.
Конец 19 века, Санкт-Петербург. Строительство и пуск первого водопровода ознаменовались крупными авариями. Проблемой занимался Н.Е.Жуковский, который дал не только объяснение, но и методику расчета этого явления. Причиной разрывов стал, как это уже понятно, гидроудар. Дело в том, что вентили и задвижки того времени не имели винтовой передачи, а самым распространенным устройством был пробковый вентиль. Эти запорные устройства удобны тем, что сразу перекрывают подачу воды. Если учесть, что по трубе движется несколько тонн (или сотен тонн) воды со скоростью 1-2 м/с (36-72 км/час), которые Вы пытаетесь мгновенно остановить, то авария на трубопроводе уже не случайность, а закономерность.
С явлением гидроудара многие из Вас знакомы по «гудящим» трубам. Здесь причиной становится обычная изношенная вибрирующая прокладка вентиля, которая, колеблясь, закрывает и открывает проходное отверстие. О взрывах паровых котлов слышали многие, но то, что причиной аварии становится не повышение давления, а его понижение, известно немногим. При резком понижении давления вода вскипает, массы воды вместе с паром начинают перемещаться до встречи со стенкой котла – дальше удар (гидроудар) и повышение давления.
Явление гидроудара используется в технике в самых разнообразных устройствах. Это оригинальные топливные системы, гидротаран и т.д.
Рассмотрим жидкость, вытекающую из резервуара по трубе, снабженной затвором. В некоторый момент времени мгновенно закроем затвор. Торможение потока жидкости будет сопровождаться ростом давления, а следовательно:
1. сжатием самой жидкости (практически несжимаема - не значит, что не сжимается совсем!);
2. деформацией стенок трубы (а это дополнительный путь, который проходит жидкость).
Столкнувшись с затвором, вода останавливается сначала у кромки затвора, затем останавливаются более удаленные слои воды и так далее до начала трубы. От затвора до начала трубы прокатывается волна повышения давления. Скорость волны Сударн. будет определяться упругостью трубы и жидкости. Чем «жестче» труба и жидкость, тем скорость будет выше. Воспользовавшись законом количества движения
Упрощенно выражение может быть интерпретировано как: «изменение количества движения в единицу времени численно равно приложенной силе». В нашем случае приложенная сила – это сила ударного повышения давления. При движении жидкости в трубе или канале, сила давления будет определяться как произведение величины ударного давления на площадь живого сечения. F = Рударн. * S.
В единицу времени (1 сек.) остановится масса жидкости, ограниченная объемом, показанным на рисунке пунктирной линией. За 1 сек. Ударная волна пройдет путь C ударн.. Масса, заключенная в этом объеме трубы может быть найдена как r * S * Cударн. Учитывая, что скорость жидкости до остановки была w, получим уравнение:
ВЫВОД: Чем больше скорость движения жидкости, ее плотность, а также скорость распространения ударной волны (больше «жесткость» трубы), тем выше величина ударного повышения давления. Обратите внимание, что величина давления не зависит от длины трубы!
Однократным повышением давления гидроудар не завершается. Когда ударная волна достигнет резервуара, вся жидкость остановится, а в стенках останутся значительные растягивающие напряжения, вызванные их деформацией. Жидкость, находящаяся в трубе под давлением большим, чем в резервуаре, начнет вытекать из трубы в резервуар. Давление в трубе падает до первоначального сначала в первых слоях, а затем, по мере вытекания жидкости волна понижения давления с той же скоростью (Cудорн) перемещается к задвижке (отраженный гидравлический удар). Когда эта волна достигнет задвижки, вся жидкость будет иметь давление, равное давлению в резервуаре и вся жидкость будет двигаться в сторону резервуара. Энергия давления перешла в кинетическую энергию движущейся жидкости, но скорость направлена уже в противоположную сторону. Как только ударная волна понижения давления достигнет задвижки, примыкающие к задвижке слои жидкости будут стремиться оторваться от нее. В это время может произойти настоящий отрыв, вызванный вскипанием жидкости с образованием паровой полости.
Очередная остановка жидкости произойдет из-за возникновения зоны пониженного давления у задвижки. Возникает так называемая отрицательная ударная волна. Вновь произошел переход кинетической энергии в потенциальную, но с обратным знаком. Совершенно очевидно, что жидкость вновь устремиться в трубу и весь цикл гидравлического удара повторится. Мы с Вами пришли к выводу, что ударное давление будет иметь вид колебаний (затухающих в связи с потерями).
Такие колебания давления приходится учитывать при проектировании различных систем. Например, мгновенное перекрытие подачи топлива в форсунках дизельного двигателя приводит к появлению таких колебаний. Вторичные повышения давления настолько велики, что происходит вторичный впрыск лишних порций топлива в цилиндры двигателя. Циклические повышения давления особенно заметны в протяженных трубопроводах и в уже упоминавшемся дизельном двигателе, при большой протяженности трубопроводов высокого давления, приходится устанавливать специальные насос-форсунки взамен одного насоса высокого давления.
Способы борьбы с гидроударом самые разнообразные. Проанализировав факторы, определяющие величину повышения давления можно дать целый ряд рекомендаций. Первая среди них – плавное закрытие задвижки с постепенным уменьшением скорости. Этот способ реализован в винтовом механизме обычного водопроводного крана. Его просто невозможно закрыть мгновенно. Варьируя толщину стенки и диаметр трубы также можно снизить последствия гидроудара. Замена материала трубы (например стальной трубы на резиновый шланг) приведет к изменению величины ударного давления. На первый взгляд кажется, что изменить модуль упругости жидкости невозможно, но именно на этом принципе построены многие устройства, гасящие ударное повышение давления. Аккумулирующие вставки (чаще всего в виде емкости, заполненной газом), поглощают кинетическую энергию жидкости, постепенно отдавая ее впоследствии. Такие гасители колебаний давления часто используются в насосных установках с поршневыми насосами, у которых велика неравномерность подачи.
НАЗАД К БИБЛИОТЕКЕ