Прямой гидравлический удар

Суть явления, называемого прямым гидравлическим ударом, состоит в том, что установившееся течение жидкости в трубопроводе нарушается путем мгновенного закрытия задвижки, в результате чего происходит резкое торможение жидкости и ударное сжатие ее частиц.

Пусть капельная жидкость с плотностью , движущаяся в трубопроводе со скоростью , останавливается мгновенно закрывшейся задвижкой (рис. 12.1). Первоначальное давление жидкости перед задвижкой обозначим .

В области перед задвижкой, происходят следующие основные явления:

· торможение потока, т.е. уменьшение его скорости от значения до ;

· сжатие жидкости, т.е. увеличение ее плотности от значения до значения , ( );

· увеличение давления от до ;

· увеличение площади сечения трубопровода, т.е. изменение площади сечения от значения до значения ( ).

И хотя изменения плотности жидкости и площади поперечного сечения трубопровода чрезвычайно малы, их учет совершенно необходим для адекватного описания явления. Возникающие изменения в виде волны повышенного давления распространяются вверх по потоку с некоторой скоростью (на рис. 12.1 влево). Как будет показано ниже, скорость достаточно велика и для стальных трубопроводов достигает величины 1000 м/с.

Рис. 12.1. Схема прямого гидравлического удара

Рассмотрим силы, которые останавливают в трубе движение тяжелой жидкости, обладающей большой инерцией, т.е. большим запасом количества движения. Из второго закона Ньютона известно, что изменить количество движения системы материальных точек можно только импульсом внешних сил. В рассматриваемом случае такой импульс проистекает от силы давления , возникающей перед задвижкой, а точнее от разности сил давления . Именно импульс сил давления останавливает поток жидкости, набегающий на закрытую задвижку.

Если закон Ньютона применить к жидкости, заключенной между передним фронтом волны давления и задвижкой, получим уравнение

.

Отсюда следует соотношение

. (12.1)

Эта формула показывает, что повышение давления перед задвижкой, останавливающее поток жидкости в трубе, равно произведению плотности жидкости на ее скорость и на скорость волны гидравлического удара. Если, например, кг/м³, м/с, м/с, то Па, т.е. атм. Таким образом, резкое уменьшение скорости жидкости, имеющей плотность 1000 кг/м³, на 1 м/c сопровождается увеличением давления почти на 10 атм.

Правильное объяснение гидравлического удара дал наш великий соотечественникН.Е. Жуковский (1847-1921) в конце прошлого века. Его исследования были выполнены на Московской водопроводной станции, а статья “О гидравлическом ударе в водопроводных трубах” (1899) стала классической работой, ныне известной во всем мире.

Волны гидравлического удара, генерируемые в трубопроводах резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая вследствие перехода механической энергии движения в тепло за счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления представляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи нефтеперекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода.