РАБОТА № 19 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА В ТРУБОПРОВОДЕ

Краткая теория

Гидравлическим ударом называется явление резкого повышения давления в трубопроводе, возникающее при внезапном изменении скорости движения жидкости. На практике гидравлический удар может возникнуть в результате быстрого закрытия задвижки, внезапной остановки насоса и т.д. Повышение давления при гидравлическом ударе может вызвать разрушение трубопровода

Величина ударного повышения давления ∆р при мгновенной остановке потока жидкости прямо пропорциональна плотности жидкости ρ, скорости распространения ударной волны С, скорости движения жидкости υ и определяется формулой Н.Е. Жуковского

∆р = ρ·С·υ.

(19.156)

Величина скорости распространения ударной волны вычисляется по формуле

(19.157)

где: K – модуль упругости жидкости (для воды Kв =2·109 Па); d – диаметр трубы; δ – толщина стенки трубы; E – модуль упругости материала трубы (для стали Ec =2·1011 Па, для меди Eм =1,2·1011 Па).

Скорость распространения ударной волны практически не зависит от величины повышения давления при гидравлическом ударе и равна скорости распространения бесконечно малых изменений давлений, т.е. равна скорости звука в рассматриваемой среде.

Из формулы (19.157) следует, что скорость звука при движении жидкости в трубе зависит как от плотности и упругости жидкости, так и от упругости стенок трубы.

Если E → ∞, то есть считать стенки трубы абсолютно жесткими, то из формулы (19.157) следует, что скорость звука в жидкости в этом случае равна

(19.158)

80

Скорость звука, например, в воде равна СВ = 1414 м/c. Упругость стенок трубопровода приводит к значительному уменьшению скорости звука и, следовательно, к уменьшению ∆р. Это явление используется в устройствах защиты от гидравлического удара.

Формула (19.156) справедлива для случая прямого гидравлического удара, когда время закрытия задвижки t3 меньше времени двойного пробега ударной волной расстояния L от задвижки до начала трубопровода – фазы удара Tф, то есть при

(19.159)

На рис. 19.1 показана диаграмма изменения давления возле задвижки при гидравлическом ударе для идеальной жидкости при мгновенном закрытии задвижки (tз = 0). Как видно, чередование повышения и понижения давлений происходит через промежуток времени 2L/С. Период колебаний при этом ра-

вен T = 4L/С.

Рис. 19.1 Диаграмма изменения давления у задвижки при гидравлическом ударе для идеальной жидкости. p0 – начальное давление возле задвижки (tз = 0)

Для реальной (вязкой) жидкости диаграмма изменения давления возле задвижки будет иметь вид, представленный на рис. 19.2, что подтверждается полученной осциллограммой (рис. 19.4).

Рис. 19.2. Диаграмма изменения давления у задвижки при гидравлическом ударе для реальной жидкости (tз ≠ 0)

Цель работы

1.Экспериментально определить величину повышения давления при прямом гидравлическом ударе ∆р.

2.Измерить скорость звука С.

3.Сопоставить опытные значения ∆p с теоретическими.

81

Описание опытного участка

Трубка общей длиной L и диаметром d подсоединяется к напорной емкости 1 (см. рис. 7.1). Схема экспериментального участка показана на рис. 19.3.

Рис. 19.3. Схема экспериментального участка. 1 – опытная трубка; 2 – шаровой клапан; 3 - осциллограф; 4 – мерный стакан; 5 – электронный секундомер; 6 – электронный датчик давления; 7 – запорный шток; 8 - насадок; 9 - клапан; Н – уровень воды в приёмной ёмкости; L - длина трубопровода от датчика давления до резервуара.

Вода поступает в трубопровод из напорной емкости при постоянном уровне воды в нем Н. Расход воды измеряется с помощью мерного стакана 4, время заполнения которого фиксируется автоматически электронным секундомером 5 для создания гидравлического удара в конце трубопровода установлен быстросрабатывающий шаровой клапан 2.

Для измерения величины повышения давления при гидравлическом ударе возле клапана установлен электронный датчик давления 6.

Электрический сигнал, вырабатываемый датчиком, подается на вход осциллографа 3, который в данной работе служит для наблюдения и измерения быстроизменяющегося давления в трубопроводе возле закрытого клапана. Типичный вид ударной диаграммы (за время T/2), наблюдаемой на экране осциллографа, показан на рис. 19.4.

Рис. 19.4. Ударная диаграмма

82