Неустановившееся напорное движение жидкости в трубопроводе. Предварительные замечания.

Установившееся неравномерное движение представляет практич. интерес только для открытых русел, т. к. трубопроводы обычно имеют постоянное по длине сечение, а относительно короткие переходные участки (конфузоры и диффузоры), характеризующиеся нек-рыми особенностями в отношении работы трения, учитываются как местные сопротивления в основном расчетном ур-нии Бернулли.

Неравномерное движение в открытом русле может быть плавноизменяющимся или относительно резкоизменяющимся. В первом случае конвективная сила инерции играет небольшую роль и зачастую ею можно пренебрегать по сравнению с силой трения, во втором случае эти силы по меньшей мере соизмеримы.

Значительное увеличение скорости на участке малой длины достигается в случае водосливов, перепадов, быстротоков (см. Гидравлика сооружений); такое же уменьшение скорости возможно в случае прыжка гидравлического.

Неустановившееся равномерное движение практически возможно лишь в трубах постоянного сечения. Напр., в трубопроводе, питаемом поршневым насосом; в трубопроводе, подающем воду к турбине при колебаниях нагрузки ГЭС.

Перед инерционным напором ставится знак плюс, если скорость в трубе с течением времени увеличивается, и минус, если скорость уменьшается. Потерянный напор hT при неустановившемся движении отличается от его значений в соответствующих условиях (при одинаковых шероховатости, вязкости, скорости, диаметре) установившегося движения, причем и при положительном и при отрицательном ускорении hT возрастает по сравнению с установившимся движением. При турбулентном движении это возрастание невелико, при ламинарном же может оказаться существенным.

При очень большом локальном ускорении в трубах возникает особое явление, наз. гидравлическим ударом.

Неустановившееся неравномерное движение представляет практич. интерес лишь для открытых русел, т. к. в трубах участки переменного сечения очень короткие и сила инерции массы жидкости, заполняющей эти участки, несущественна ио сравнению с силой инерции масс жидкости, заполняющих участки постоянного диаметра. Изменение скорости, а следовательно, и расхода с течением времени влечет за собой изменение глубины наполнения русла, причем оно происходит не синхронно ио всей длине потока, а начинается на одном из его концов и затем распространяется в виде волны, к-рая является волной изменения расхода и отличается от колебательных волн (ветровых, корабельных и др., см. Волны). Волны изменения расхода возникают в реках и каналах при наполнении и опорожнении камер судоходных шлюзов, при суточном колебании мощности гидроэлектростанций.

Волна изменения расхода может быть: волной подпора, которая образуется при уменьшении расхода в конце рассматриваемого участка; волной излива — возникает при увеличении расхода в конце участка; волной попуска — образуется при увеличении расхода в начале рассматриваемого участка; волной отлива — создается при уменьшении расхода в начале участка.

56-57

5.4.5. Гидравлический 7 удар в напорном трубопроводе

Гидравлический удар - явление резкого изменения давления в жидкости, движущейся в напорном трубопроводе, при значительном мгновенном изменении ее скорости.

Это один из примеров неустановившегося движения жидкости. Гидравлический удар возникает при внезапной остановке или быстром начале движения потока жидкости в напорных трубопроводах, например, при резком закрытии или открытии задвижки на его конце, при внезапной остановке насоса, при внезапном снятии нагрузки с турбины и т. д. Повышение давления при этом может оказаться значительным и привести к авариям в системе.

Теоретические и экспериментальные исследования гидравлического удара в трубах впервые были выполнены профессором Н. Е. Жуковским (1899 г.), доказавшим в работе <О гидравлическом ударе в водопроводных трубах>, что гидравлический удар - быстропротекающий волновой процесс.

Различают положительный и отрицательный удар. Положительный удар возникает перед задвижкой и начинается с повышения давления, отрицательный - связан с понижением давления.

Физика явления может быть представлена следующим образом. В момент перекрытия трубы задвижкой ближайший к ней слой жидкости плотностью ? останавливается. Вслед за ним останавливаются все остальные слои жидкости в трубопроводе вплоть до последнего в точке М у резервуара. Кинетическая энергия жидкости переходит в работу деформации жидкости и стенок трубы, т. е. в трубопроводе находится сжатая жидкость под давлением значительно большим, чем давление в резервуаре. Повышение давления приводит к деформации трубопровода (рис. 5.14, а). Под действием этого давления жидкость приходит в движение по направлению к резервуару. При этом потенциальная энергия деформации стенок преобразуется в кинетическую

энергию жидкости и происходит понижение давления от слоя к слою в обратном направлении: от точки М до задвижки.

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению р0. Работа деформаций переходит обратно в кинетическую энергию жидкости, и она приобретает первоначальную скорость ?, но направленную в противоположную сторону. С этой скоростью колонна жидкости стремится оторваться от клапана, в связи с чем возникает отрицательная ударная волна с давлением меньше р0, движущаяся к резервуару со скоростью с. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака. Жидкость расширяется, а труба сжимается.

Процесс повторяется вновь и вновь, т. е. в трубопроводе происходит затухающее колебательное движение. Затухающее, как можно видеть на индикаторной диаграмме (рис. 5.14, б), так как при движении теряется энергия на преодоление гидравлических сопротивлений. На диаграмме р0 - рабочее давление.

Рассмотрены два периода, в течение которых произошло распространение в виде волны повышения давления - прямая волна, и в виде волны пони

ΔPуд = ρυ0c