文档介绍：第13章有压管道非恒定流
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有压管道非恒定流问题,即水击问题。
正常运行的管道,由于某种原因,须迅速关闭或开启阀门或水泵因故突然停止工作,使管中流速在很短时间内发生急剧变化。速度的改变引起动量变化,动量变化又伴随有力的产生,表现为管流出现巨大的附加压强,即水击压强,并伴之锤击之声,工程上称之为水击或水锤。
水击现象中交替升降的压强称为水击压强。水击压强可数百倍于管道恒定流的压强,在此压强作用下,必须考虑液体的压缩性和管壁的弹性。
水击的危害很大,常引起管壁爆裂或产生严重变形。在压力管道设计中必须加以考虑。
第一节概述
产生水击现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道内水体流速的改变,导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。
水击具有破坏性
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2、水击波传播过程
由于水和管道都弹性体,在很大的水击压强作用下该层管流n-m段产生两种形变,即水的压缩及管壁的膨胀。因此阀门突然关闭时,管道内的水就不是在同一时刻全部停止流动,压强也不是在同一时刻同时升高。而是靠近阀门的第一层水首先停止流动,与之相邻的第二层及其后续各层水相继逐层停止流动,同时压强逐层升高,并以弹性波的形式由阀门迅速传向管道进口。这种由于水击而产生的弹性波,称水击波。
水击波传播的第一阶段
由于阀门K突然完全关闭,速度由v0立即变为零,相应压强升高Δp,水密度增加Δρ,管道断面积增加ΔA。这种减速增压的过程以波速c自阀门向上游传播的。经过 t =l /c后,水击波到达水库。这时,全管液体处于被压缩状态:
V=0,
p=p0+ Δp,
ρ= ρ0 + Δρ,
D=D0+ ΔD
t=0~ l /c 称为水击波
传播的第一阶段。
水击波传播的第二阶段
减压波到达管道进口后,水库水位不受管路流动的影响。管路进口的水体,在水击压强(p0+Δp)与水池静压强(p0)差作用下,立即以和Δp相应的速度-v0向水库方向流去。这一变化以减压水击波的形式自水库向阀门传播,在t=2l/c时刻,到达阀门断面。此时被压缩的水体和膨胀的管壁恢复原状:
v= -v0 , p= p0 ,
ρ= ρ0 , D=D0
t=l/c~2l/c 称为水击波的
第二阶段。
水击波从阀门断面出发,
又回到阀门断面,称为水击的一相。相长 Tr=2l/c
水击波传播的第三阶段
在t=2l/c时刻,由于水流的惯性,管中的水仍然向水库倒流,而阀门仍然关闭无水补充,以致阀门端的水体首先停止运动,速度由-v0变为零,引起压强降低、密度减小与管壁收缩。这个增速减压波由阀门向上游传播,在t=3l/c时刻到达水库。此时全管处于瞬时低压状态:
v=0 , p=p0 –Δp,
ρ= ρ0 -Δρ,
D=D0- ΔD
t=2l/c~ 3l/c 称为水击波
传播的第三阶段。
水击波传播的第四阶段
在t=3l/c时刻,因管道进口压强比水库压强差Δp作用下,水又以速度v0向阀门方向流动,并以增压波形式传向阀门断面。管道中的密度和管壁相继应恢复正常。在t=4l/c时刻,增压波传至阀门断面,全管恢复至起始状态:
v=v0 , p=p0 ,
ρ= ρ0 ,
D=D0
t=3l/c~ 4l/c 称为
水击波的第四阶段。
由于惯性,水击现象将重复上述四个阶段。如果没有损失,水击波将周期性地如此循环下去。
水击波传播过程简表
因实际水流存在水头损失,水击波将逐渐衰减,直至消失。
阶段
时段
流向
速度变化
压强变化
末瞬ρ, p
1
0-l/c
阀→库
v0→0
p0→p0+ Δp
ρ0 + Δρ, p0+ Δp
2
l/c-2 l/c
库→阀
0→- v0
p0+ Δp→ p0
ρ 0 , p0
3
2 l/c-3 l/c
库→阀
- v0→0
p0→p0- Δp
ρ0 -Δρ, p0- Δp
4
3 l/c-4 l/c
阀→库
0→ v0
P0-Δp→ p0
ρ 0 , p0
循环、衰减
水击具有破坏性