Гідравлічний удар

Гідравлічним ударом називається різке підвищення тиску, що виникає в напірному трубопроводі при раптовому гальмуванні потоку робочої рідини. Цей процес є дуже швидкоплинним і характеризується чергуванням різких підвищень і знижень тиску, який пов'язаний із пружними деформаціями рідини й стінок трубопроводу. Гідравлічний удар найчастіше виникає при різкому відкритті або закритті крана або іншого обладнання, керованого потоком.

Нехай наприкінці труби, по якій рухається рідина зі швидкістю υ₀, зроблене миттєве закриття крана (мал. 6.10, а).

Мал. 6.10. Стадії гідравлічного удару

При цьому швидкість часток, що натрапили на кран, буде погашена, а їх кінетична енергія перейде в роботу деформації стінок труби й рідини. При цьому стінки труби розтягуються, а рідина стискається відповідно до збільшення тиску на величину Δ P_уд, яке називається ударним. Область (переріз n - n), у якій відбувається збільшення тиску, називається ударною хвилею. Ударна хвиля поширюється вправо зі швидкістю С, називаною швидкістю ударної хвилі.

Коли ударна хвиля переміститься до резервуара, рідина виявиться зупиненою й стиснутою у всій трубі, а стінки труби - розтягнутими. Ударне підвищення тиску пошириться на всю довжину труби (мал. 6.10, б).

Далі під дією перепаду тиску Δ P_уд частки рідини кинуться із труби в резервуар, причому ця течія почнеться з перерізу, що безпосередньо прилягає до резервуара. Тепер переріз n-n переміщається назад до крана з тою же швидкістю С, залишаючи за собою вирівняний тиск P₀ (мал. 6.10, в).

Рідина й стінки труби передбачаються пружними, тому вони вертаються до колишнього стану, відповідного до тиску P₀. Робота деформації повністю переходить у кінетичну енергію, і рідина в трубі здобуває первісну швидкість υ₀, але спрямовану тепер у протилежну сторону.

Із цією швидкістю весь об’єм рідини прагне відірватися від крана, у результаті виникає негативна ударна хвиля під тиском P₀ - Δ P_уд, яка направляється від крана до резервуара зі швидкістю С, залишаючи за собою стиснуті стінки труби і рідину, що й розширилася, що обумовлене зниженням тиску (мал. 6.10, д). Кінетична енергія рідини знову переходить у роботу деформацій, але протилежного знака.

Стан труби в момент приходу негативної ударної хвилі до резервуара показане на мал. 6.10, е. Так само як і для випадку, зображеного на мал. 6.10, б, воно не є рівноважним. На мал. 6.10, ж, показаний процес вирівнювання тиску в трубі й резервуарі, що супроводжується виникненням руху рідини зі швидкістю υ_0.

Очевидно, що як тільки відбита від резервуара ударна хвиля під тиском P _уд досягне крана, виникне ситуація, що вже мала місце в момент закриття крана. Увесь цикл гідравлічного удару повториться.

Протікання гідравлічного удару у часі ілюструється діаграмою, представленою на мал. 6.11, а й б.

Штриховими лініями показана теоретична зміна тиску у крана в точці А, а суцільний дійсний вид картини зміни тиску за часом (мал. 6.11, а). При цьому загасання коливань тиску відбувається за рахунок втрат енергії рідини на подолання сил тертя й уходу енергії в резервуар.

Якщо тиск P₀ невелике (P₀ < Δp _уд), то картина зміни амплітуди тиску виходить трохи інша, приблизно така, як показано на мал. 6.11, б.

Мал. 6.11. Зміна тиску за часом у крана

Підвищення тиску при гідравлічному ударі можна визначити по формулі

Δ P_уд = ρυ ₀c

Дане вираження має назву формули Жуковського. У ньому швидкість поширення ударної хвилі С визначиться по формулі:

де r - радіус трубопроводу; E - модуль пружності матеріалу труби; δ - товщина стінки трубопроводу; K - об'ємний модуль пружності (див. п.1.3)

Якщо припустити, що труба має абсолютно тверді стінки, тобто E = , то швидкість ударної хвилі визначиться з вираження

Для води ця швидкість рівна 1435 м/с, для бензину 1116 м/с, для масла 1200 - 1400 м/с.

Дата добавления: 2014-01-07