Понятие гидравлического удара

Введение

История изучения гидродинамических процессов, включающих в частности гидравлический удар, насчитывает уже более ста лет и начинается со ставшей в настоящее время уже классической работы Н.Е. Жуковского.

В прошедшие годы явление гидравлического удара неизменно привлекало внимание ученых и инженеров во многих странах в связи с научным и практическим аспектами. К началу шестидесятых годов прошлого столетия основные физические и гидродинамические процессы, протекающие в элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, были в основном изучены.

В данной курсовой работе рассматривается задача о моделировании и расчёте гидравлического удара в пространственном трубопроводе. Необходимой частью расчетов на прочность и надежность трубопроводных систем является расчет динамических нагрузок при гидравлическом ударе. На практике расчет гидравлического удара проводится путем решения независимой гидродинамической задачи. В таких расчетах, как правило, используется математическая модель одномерного неустановившегося адиабатического течения однофазной сжимаемой среды в неподвижном трубопроводе.

Понятие гидравлического удара

Процесс регулирования мощности гидравлической турбины, открытие и закрытие затвора всегда сопровождается изменением скоростного режима в трубопроводе. Особенностью этого режима является то, что при нём скорости и давления в жидкости делаются функциями не только координат, т.е. рассматриваемой точки потока, но и времени. Такой неустановившийся режим в закрытых водоводах, целиком заполненных жидкостью, носит название гидравлического удара (далее – ГУ).

При быстром закрытии или открытии трубопровода возникает резкое, неодновременное по длине трубопровода изменение скорости и давления жидкости. Если в таком водоводе измерять скорость жидкости и давление, то обнаружится, что скорость меняется как по величине, так и по направлению. Неустановившийся скоростной режим в закрытых и целиком заполненных трубопроводах всегда вызывает значительные по величине колебания давления. Такой процесс очень быстротечен и обусловлен упругими деформациями стенок трубы и самой жидкости.

Переход от одного установившегося режима в жидкости к другому сопровождается колебаниями скорости и давления, называемыми эффектом ГУ.

Сущность гидравлического удара заключается в следующем: предположим, что имеется прямолинейный трубопровод длиной L, присоединенный к напорному бассейну больших размеров (резервуару) и на конце снабженный задвижкой. При быстром закрытии задвижки вся масса жидкости (давление в жидкости равно Р_о), движущаяся в трубе со скоростью V_o, должна внезапно остановится. В результате резкого изменения скорости кинетическая энергия этой массы преобразуется в энергию давления, которая у задвижки может иметь весьма значительную величину Р.

Рис.1

Так как жидкость и материал трубы обладают определенной упругостью, то повышение давления приведет к сжатию жидкости, увеличению ее плотности и расширению стенок. Это повышение давления бывает настолько большим, что может вызывать разрыв трубопровода.

Это состояние не может быть локализованным и передается в слои жидкости, расположенные выше по течению, а так же с некоторой скоростью распространяется в сторону противоположную направлению скорости движения жидкости.

Переходная область в сечении A-A называется ударной волной. Скорость перемещения сечения A-A (фронта волны) называется скоростью распространения ударной волны и обозначается буквой а. Такой процесс проходит в период времени 0 < < , называемым фазой ГУ.

При открытии затвора вверх по течению распространяется волна понижения давления. Если затвор расположен не в конце трубы, а в начале, то волна изменения давления будет распространяться вниз по течению.

Если ГУ представляет собой волну повышения давления, то он называется положительным, понижения – отрицательным. Волна изменения давления, распространяющаяся вверх по течению, называется прямой, вниз – обратной.

ГУ может возникнуть и как результат изменения давления в жидкости. Так, например, резкое повышение давления при подключении какого-либо объёма жидкости к источнику давления вызывает в этом объёме ГУ. Повышение давления при ГУ в каком-либо трубопроводе вызывает во всех отводах от него, в том числе и тупиковых, свой, отличный эффект ГУ.

Эффект ГУ имеет для гидротурбинных установок большое практическое значение. Повышение давления увеличивает напряжение в материале трубопровода, затворов и турбин и, следовательно, влияет на выбор их размеров, удовлетворяющим условиям прочности. Неучтённое при расчёте повышение давление может вызвать аварию всей гидротурбинной установки. Поэтому важнейшие процессы и действия, влияющие на работу и расчёт гидроустановок, основываются на рассмотрении процессов и расчёте гидравлического удара.