Гидравлический удар и его предотвращение

Гидравлический удар и его предотвращение
* Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока рабочей жидкости. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, которое связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.
* Гидравлический удар чаще всего возникает при резком открытии или закрытии крана или другого устройства, управляемого потоком

Последствия гидравлического удара

Последствия гидравлического удара

Стадии гидравлического удара
а) Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью V0 , произведено мгновенное закрытие крана А.
Скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости.
При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину ΔPуд, которое называется ударным.
Область (сечение n - n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной.
Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Стадии гидравлического удара
б) Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы - растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы
в) Под действием перепада давления ΔPуд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар. Теперь сечение n-n перемещается обратно к крану со скоростью c, оставляя за собой выровненное давление P0

Стадии гидравлического удара
г) Жидкость и стенки трубы упругие, и они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению P0. Работа деформации переходит в кинетическую энергию (за вычетом потерь, которые м. б. весьма малы), и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость V0 , но с обратным знаком.
д) Возникает отрицательная ударная волна под давлением
P0 - ΔPуд (движется от крана к резервуару со скоростью c, за ней - сжавшиеся стенки трубы и расширившаяся жидкость. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака

Стадии гидравлического удара
е) Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару не является равновесным (аналогично случаю б, но с обратным знаком).
ж) Снова начинается процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся движением жидкости со скоростью V0.
Как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением ΔP уд достигнет крана, возникнет ситуация а.
Весь цикл гидравлического удара будет повторяться с некоторым уменьшением амплитуды ΔP уд

Изменение давления при гидроударе
а) Полный гидроудар
б) Частичный гидроудар
При отсутствии потерь энергии
Явление гидравлического удара объяснил в 1897-1899 г. Н.Е. Жуковский - показал, что увеличение давления при гидроударе определяется по формуле:
- формула Жуковского
- скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, м/с;
- время закрытия задвижки, с.

В зависимости от времени распространения ударной волны t и времени перекрытия задвижки τ (или другой запорной арматуры) выделяются 2 вида ударов:
Виды гидравлических ударов
а) Полный (прямой) гидроудар - возникает, если время перекрытия задвижки меньше двойного времени пробега волны Т.
Т - период трубопровода
Теряется вся скорость потока - переходит в энергию давления и упругих деформаций стенок трубы. Возможно повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.
- заброс давления при полном гидроударе;
- скорость звука в трубе.

Скорость ударной волны (скорость звука) в трубе
Здесь r - радиус трубопровода;
E - модуль упругости материала трубы;
δ - толщина стенки трубопровода;
Если труба имеет абсолютно жесткие стенки, т.е. , то скорость ударной волны определится из выражения
Для воды эта скорость равна 1435 м/с, для бензина 1116 м/с, для масла 1200 - 1400 м/с
K - объемный модуль упругости жидкости

б) Частичный (непрямой) гидроудар
Если время закрытия задвижки больше фазы удара (периода трубопровода), такой удар называется непрямым.
В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:
Ещё один вариант — наличие утечек из трубы во время гидроудара (неполное перекрытие трубы заслонкой или заглушкой, наличие в трубе дополнительных отверстий (созданных специально или аварийных) помимо входа. Суммарная площадь таких отверстий или незакрытого просвета должна быть меньше внутреннего сечения трубы, иначе гидроудара не будет в принципе.