Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлического удара в трубопроводах впервые было проведено известным русским учёным Николаем Егоровичем Жуковским в 1899 году. Это явление связано с тем, что при быстром закрытии трубопровода, по которому течёт жидкость, возникает резкое, неодновременное по длине трубопровода изменение скорости и давления жидкости. Скорость в таком трубопроводе меняется как по величине, так и по направлению, а давление - как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения по отношению к начальному. Это означает, что в трубопроводе возникает колебательный процесс, характеризующийся периодическим повышением и понижением давления. Такой процесс очень быстротечен и обусловлен упругими деформациями стенок трубы и самой жидкости.
Подробно рассмотрим его картину для случая полного и прямого гидравлического удара.
Рисунок
10.1 Открытый трубопровод
Будем считать, что в исходном состоянии трубопровод открыт. Жидкость движется по трубе со скоростью V>0. Давление в жидкости равно Ро.
Рисунок
10.2 Резкое закрытие трубопровода
Трубопровод мгновенно закрывается. Слои жидкости, натолкнувшись на заслонку крана, останавливаются. Кинетическая энергия жидкости переходит в деформацию стенок трубы (труба у заслонки расширится), и жидкости (давление у заслонки повысится на величину 
). На остановившиеся у заслонки слои жидкости будут набегать следующие, вызывая сжатие жидкости и рост давления, который будет с некоторой скоростью распространяться в сторону противоположную направлению скорости 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
В момент времени 
весь рубопровод окажется расширенным, а жидкость сжатой и неподвижной. Но такое состояние неравновесное. Поскольку у источника давление Ро, а в трубе 
, то жидкость начнёт двигаться в сторону меньшего давления, т.е. из трубы в резервуар.
Рисунок
10.3 Перемещение давления по трубопроводу
Этот процесс начинается от начала трубы. Жидкость будет вытекать из трубы в резервуар с некоторой скоростью V. Сечение A-A (ударная волна) начнёт перемещаться к концу трубы со скоростью а. При этом давление в трубе будет снижаться до P0.
Этот процесс будет происходить в период времени 
.
Рисунок
10.4 Уменьшение давления вблизи заслонки
Энергия деформации жидкости переходит в кинетическую энергию, и жидкость приобретает некоторую скорость V, но направленную в обратную сторону. Во всём трубопроводе устанавливается давление Ро. По инерции жидкость продолжает двигаться к началу трубы и начинает испытывать деформации растяжения, что приводит к уменьшению давления вблизи заслонки.
Затем возникает отрицательная ударная волна, движущаяся от конца трубы к началу со скоростью а, и за фронтом волны остается сжатая труба. Кинетическая энергия снова превращается в энергию деформации (сжатия).
В момент времени 
вся труба окажется сжатой, а волна достигает начала трубы. Давление вблизи источника выше, чем во фронте. Из-за перепада давления жидкость движется к концу трубы (к заслонке) с некоторой скоростью V>0, а давление поднимается до Ро.
Рисунок
10.5 Выравнивание давления в трубопроводе
Поэтому период времени 
происходит процесс выравнивания давления в трубопроводе. При этом происходит движение ударной волны со скоростью а от начала трубы к её концу.
В момент времени 
ударная волна достигает конца трубы.
Рисунок
10.6 Восстановление начальных параметров
Далее весь процесс начинается сначала.
Скорость распространения ударной волны:
где 
- плотность жидкости,
- диаметр трубопровода,
- толщина стенки трубопровода,
– объёмный модуль упругости материала трубы,
- объёмный модуль упругости жидкости.
Из формулы следует, что скорость распространения ударной волны зависит от сжимаемости жидкости и упругих деформаций материала трубопровода.
Давление в трубопроводе определяется по формуле Жуковского:
Поможем написать любую работу на аналогичную тему