Saturday, 01 October, 2022

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知识

水击

[拼音]:shuiji

[英文]:water hammer

封闭管道中液体流速突然变化引起的压力急剧变化或波动,是封闭管道中的一种非定常压力流。水电站事故甩荷关机、水泵站断电停泵和输油管启闭阀门,都会出现这种现象,并伴随发生机械撞击声。

机理

封闭管道中的水击过程是压力波传播的过程。假如管壁是刚性的,就水的可压缩性来说,压力波同声波在水中传播速度是一样的,可表示为:

式中K为水的体积弹性模量;ρ为水的密度。在常温下,cS=1425米/秒,实际上封闭管道中的压力波传播速度还受管壁弹性的影响,因而上式变成:

式中E为管壁材料弹性模量;D和e为管径和壁厚。

水击压力波的传播过程如图所示。设从水库引水的管道长度为L,末端装有快速启闭阀门。如果忽略水力损失,则管道末端的初始水头H等于水库水头H0,管内初始流速v=v0。从图上可以看到阀门瞬间关闭后发生的水击现象。阀门关闭后,紧靠阀门处管段Δx的流速首先等于零。由于水流的惯性,水体被压缩,管壁膨胀,水头增加ΔH并以波速c向上游传播,使压头增至H0+ΔH。

当t=L/c时,压力波到达进口,此时整个管内压头为H0+ΔH,流速为零。由于管内压头比水库高ΔH,为了保持平衡,管内水体倒流并产生以波速c向下游传播的降压反射波,使进口压头恢复到初始状态H0。

当t=2L/c时,反射波到达阀门,整个管内压头为H0,但流速v0朝向上游。由于惯性,在阀门处产生降压ΔH的反射波,以速度c向上游传播,使管内压头降至H0-ΔH。

当t=3L/c时,整个管内压头为H0-ΔH,流速为零。因管内压头比水库低ΔH,水库水又流入管内,v0朝向下游,在进口处产生增压ΔH的反射波以波速c向下游传播,进口压头回到H0。

当t=4L/c时,压力波到阀门,整个管内流速和水头恢复到初始状态,完成了一个压力振荡周期,以后水击现象又重复上述过程。

因为存在水力损失,水击压力振幅实际上随时间衰减,并非保持不变。

基本方程

假设管壁不变形,且忽略水力损失项和非线性项,并令p=γH(γ为水的比重),则管道非定常压力流的基本方程(见压力流)可简化为:

式中v和H为瞬变流速和水头;c为波速;x和t为距离和时间;g为重力加速度。上式一般积分的形式为:

式中ф为顺x轴的正向波;F为逆x轴的反向波;v0为管内的初始流速。

型别

水击按阀门启闭时间和波的往返传播时间的关系可分为直接水击和间接水击。

若阀门关闭时间TS≤2L/c,在来自进口的反向波到达管末端前,阀门已关闭,管末端水击只受正向波影响,此压力过程称为直接水击。这时v=0,

,由上两式得直接水击计算公式:

ΔH=cv0/g。

若阀门关闭时间TS>2L/c,在来自进口的反向波到达管末端前,阀门尚未关闭,这时水击是由阀门处产生的正向波和从上游来的反向波叠加而成,此压力过程称为间接水击。间接水击的计算有解析法(用连锁方程求解)、图解法和特征线法等。对简单管道,可采用前两种方法,对边界条件复杂的管道采用后一种方法利用电子计算机计算较为方便。

设计某些管道应考虑水击压力,必要时可在管道适当的位置设调压塔或减压阀,以削减水击压力,防止管道破坏事故。

参考书目

V.L.Streeter andE.B.Wylie, FluidMechanics,McGraw-Hill,New York, 1979.

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