Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называют резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Точнее, это колебательный процесс, возникающий в упругом трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении ее скорости. Это явление очень быстротечное и состоит в чередовании резких повышений и понижений давления, связанных с упругой деформацией стенок трубопровода и самой жидкости.

Теория гидроудара разработана в 1898 году Н.Е. Жуковским.

Рассмотрим простой трубопровод 2 постоянного диаметра d и длиной l присоединенный к напорному резервуару 1 и имеющий на конце задвижку 3 (Рис. 45).

Рис. 45. Схема трубопровода при гидравлическом ударе

При быстром закрытии задвижки кинетическая энергия всей массы жидкости, движущейся со средней скоростью V ₀, преобразуется в энергию давления. Вследствие упругости жидкости и трубы через малый промежуток времени (тысячные доли секунды) после закрытия задвижки произойдет полная остановка и сжатие ближайшего к ней слоя жидкости под действием силы инерции остальной движущейся жидкости. Рядом с задвижкой давление в жидкости повысится, труба расширится в пределах упругой деформации, и от задвижки в сторону резервуара пойдет волна сжатия со скоростью c. Когда ударная волна достигнет входа в трубу, последняя вся будет заполнена сжатой жидкостью, давление в которой больше, чем в резервуаре возле входа в трубу. Естественно, жидкость устремится из трубы в резервуар, и от входа в трубу к задвижке пойдет волна разрежения с той же скоростью c. Давление в трубе упадет до величины, меньшей, чем оно было до закрытия задвижки. Когда волна разрежения достигнет задвижки, истечение жидкости из трубы прекратится, а так как давление в трубе меньше, чем в резервуаре, жидкость снова устремится в трубу. При этом вышеописанная картина явления повторится, но уровень отклонений давления будет меньше. То есть будет наблюдаться колебательный процесс, причем колебания затухающие вследствие вязкости жидкости. Наиболее высокое давление в трубе будет наблюдаться непосредственно сразу после закрытия задвижки, поэтому, с точки зрения оценки прочности трубы, последующие колебания интереса не представляют.

Скорость распространения ударной волны

,

где r, K – плотность и объемный модуль упругости жидкости;

d, d – внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода;

E – модуль упругости материала трубы.

Различают полный и неполный гидроудар. Полный гидроудар предполагает полную остановку жидкости, а при неполном происходит ее торможение до скорости V₁.

Гидроудар называют прямым, если фаза гидравлического удара t ₀ = 2 l/c меньше времени закрытия трубопровода: t ₀ < t_зак. Если t ₀ > t_зак, то удар непрямой.

Величина повышения давления в трубопроводе при прямом полном гидравлическом ударе определяется формулой Жуковского:

D p = r V ₀ c.

Если удар неполный, то  D p = r(V ₀ – V ₁) с.

При непрямом гидравлическом ударе можно пользоваться приближенными формулами:

· для полного удара           ;

· для неполного удара       .

Как можно легко увидеть, наибольшую опасность представляет прямой полный гидроудар.

Меры борьбы с негативными последствиями гидравлического удара можно сформулировать следующим образом:

· увеличение времени закрытия трубопровода, что приводит к непрямому гидроудару;

· снижение скорости движения жидкости (при заданном расходе это означает применение трубы большего диаметра);

· уменьшение длины участка трубопровода до перекрывающего устройства, что позволяет перейти к непрямому удару;

· установка вблизи задвижки устройства, сбивающего пик давления (предохранительного клапана, гидравлического аккумулятора и т.п.).

Иногда идут другим путем – вместо снижения уровня ударных давлений просто повышают прочность трубопровода.