Теоретические положения

Гидравлический удар – изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия затвора).

Повышение давления при гидравлическом ударе может быть на­столько большим, что способно привести к разрыву трубопровода.

При быстром закрытии затвора сначала останавливается не вся жидкость, заключенная в трубопроводе, а лишь ее часть, находя­щаяся непосредственно перед затвором (рис. 6.1). Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает). Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопро­воду от затвора к исходному резервуару. Скорость распространения повышения давления называют скоростью распространения ударной волны  (С). После того как во всем трубопроводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар и давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара и давление снова повысится. Из-за упругих свойств жидкости и стенок трубопровода этот процесс поддержи­вается, но, благодаря трению жидкости о стенки трубопровода и ее вязкости (внутреннему трению), он довольно быстро затухает. Наиболее опасным является первое повышение давления.

Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время  t = l/d (здесь l – длина трубопровода; d – его диаметр). Время одного цикла, включающего и повышение, и понижение давления, называется фазой удара: T = 2l/d.

Если время закрытия t_з затвора меньше или равно фазе Т удара, то он называется прямым.

Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса еще некоторое время по инерции будет продолжать движение, и давление в трубопроводе снизится. Затем начнется обратное течение жидкости из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе, и давление здесь повысится подобно тому, как это наблюдалось при прямом гидравлическом ударе после резкого закрытия затвора.

Рис. 6.1. Установка для изучения явления гидравлического удара при резком изменении расхода жидкости в трубопроводе

Согласно вышеизложенному, параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени. Следова­тель­но, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся.

Для определения повышения давления р при прямом гидрав­лическом ударе Н.Е. Жуковским в 1898 г. была предложена формула

(6.1)

где  – плотность жидкости; С – скорость распространения упругих колебаний в жидкой среде (скорость звука, скорость распространения ударной волны);  – средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до момента закрытия затвора (при установившимся движении).

Значение С вычисляют по формуле

(6.2)

где – скорость распространения упругих колебаний (звука) в жидкой среде (для воды с_зв  1425 м/с); Е_ж и Е_тр – модули упругости соответственно жидкости и материала трубопровода; d – внутренний диаметр трубопровода;  – толщина стенки трубо­провода. Для воды Е_в  1,96  10⁹ Па; для стали Е_тр  1,96  10¹¹ Па.