Работа 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ

ПРЯМОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

Цель работы:

Определить опытным путем величину повышения давления Dр_оп при прямом гидравлическом ударе в напорном трубопроводе, сравнить ее с величиной Dр, вычисленной по формуле Н. Е. Жуковского, и подсчитать относительное отклонение.

Общие сведения

Гидравлическим ударом называется изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия затвора).

Повышение давления при гидравлическом ударе может быть настолько большим, что способно привести к разрыву трубопровода.

При быстром закрытии затвора сначала остановится не вся масса жидкости, заключенная в трубопроводе, а лишь часть ее, находящаяся непосредственно перед затвором (рисунок 6.1). Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает). Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопроводу от затвора к резервуару. Скорость распространения повышения давления называют скоростью распространения ударной волны С.После того как во всем трубопроводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар и давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара и давление снова повысится. Благодаря упругим свойствам жидкости и стенок трубопровода, этот процесс довольно быстро затухает. Наиболее опасным является первое повышение давления.

Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время t = ℓ/с (здесь ℓ – длина трубопровода). Время одного цикла, включающего в себя повышение и понижение давления, называются фазой удара T = 2ℓ/с

Если время закрытия t_з затвора меньше или равно фазе удара Т (t_з £ Т), удар называется прямым.

Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса по инерции некоторое время будет двигаться и в трубопроводе возникнет понеженное давление. Затем начнется обратное движение жидкости из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе и давление здесь повысится подобно тому, как это наблюдалось при прямом ударе.

Из изложенного ясно, что параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени. Следовательно, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся.

Для определения повышения давления Dр при прямом гидравлическом ударе Н. Е. Жуковским в 1898 г. предложена формула

(6.1)

где r - плотность жидкости;

С - скорость распространения ударной волны;

u - средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до закрытия затвора ( при установившимся движении).

Величину С вычисляют по формуле

(6.2)

где - скорость звука в жидкой среде (для воды С_зв»1425 м/с);
Е_ж и Е_тр – модули упругости соответственно жидкости и материала трубопровода (для воды Е_в»1,96 × 10⁹ Па, для стали Е_тр»1,96×10¹¹Па);

d - внутренний диаметр трубопровода;

d - толщина стенки трубопровода.

Описание установки

Установка (рисунок 6.1) состоит из горизонтального стального трубопровода 2, присоединенного к напорному резервуару 1, в котором уровень воды во время опытов поддерживается на постоянной отметке с помощью переливного устройства 9. Питание резервуара 1 осуществляется по напорному трубопроводу 8.

Рисунок 6.1 – Схема лабораторной установки

В конце трубопровода 2 имеется вентиль 6 для регулирования скорости движения воды в нем, клапанный затвор 4, позволяющий практически мгновенно перекрывать трубопроводу пружинный манометр 3, с помощью которого измеряется давление в жидкости до и в момент закрытия затвора.

Для измерения расхода воды служит мерный бак 7, снабженный водомерной трубкой, и секундомер 5.