Работа 1.6. экспериментальное изучение прямого гидравлического удара в напорном трубопроводе

Вводная часть. 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).

Повышения 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 (рис.1.16). 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/d (здесь l – длина трубопровода). Время одного цикла, включающего повышение и понижение давления, называются фазой удара T = 2l/d

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 :

(1.30)

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:

(1.31)

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.

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 (см. формулу 1.30), и подсчитать относительное отклонение.

Описание установки. Установка (см.рис.116) состоит из горизонтального стального трубопровода 3, присоединенного к напорному резервуару 2 ,в котором уровень воды во время опытов поддерживается на постоянной отметке с помощью переливного устройства I.

В конце трубопровода 3 имеется вентиль 6 для регулирования скорости движения воды в нем, клапанный затвор 5, позволяющий практически мгновенно перекрывать трубопроводу пружинный манометр 4, с помощью которого измеряется давление в жидкости до и в момент закрытия затвора.

Для измерения расхода воды служит мерный бак 12 снабженный водомерной трубкой 9 со шкалой 10, и секундомер 8.