Гидравлический удар в трубах. Явление кавитации

Гидравлическим ударом называют резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Точнее, это колебательный процесс, возникающий в упругом трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении ее скорости. Это явление очень быстротечное и состоит в чередовании резких повышений и понижений давления, связанных с упругой деформацией стенок трубопровода и самой жидкости.

Теория гидроудара разработана в 1898 году Н.Е. Жуковским.

Рассмотрим простой трубопровод 2 постоянного диаметра d и длиной l присоединенный к напорному резервуару 1 и имеющий на конце задвижку 3 (Рис. 45).

Рис. 45. Схема трубопровода при гидравлическом ударе

При быстром закрытии задвижки кинетическая энергия всей массы жидкости, движущейся со средней скоростью V 0, преобразуется в энергию давления. Вследствие упругости жидкости и трубы через малый промежуток времени (тысячные доли секунды) после закрытия задвижки произойдет полная остановка и сжатие ближайшего к ней слоя жидкости под действием силы инерции остальной движущейся жидкости. Рядом с задвижкой давление в жидкости повысится, труба расширится в пределах упругой деформации, и от задвижки в сторону резервуара пойдет волна сжатия со скоростью c. Когда ударная волна достигнет входа в трубу, последняя вся будет заполнена сжатой жидкостью, давление в которой больше, чем в резервуаре возле входа в трубу. Естественно, жидкость устремится из трубы в резервуар, и от входа в трубу к задвижке пойдет волна разрежения с той же скоростью c. Давление в трубе упадет до величины, меньшей, чем оно было до закрытия задвижки. Когда волна разрежения достигнет задвижки, истечение жидкости из трубы прекратится, а так как давление в трубе меньше, чем в резервуаре, жидкость снова устремится в трубу. При этом вышеописанная картина явления повторится, но уровень отклонений давления будет меньше. То есть будет наблюдаться колебательный процесс, причем колебания затухающие вследствие вязкости жидкости. Наиболее высокое давление в трубе будет наблюдаться непосредственно сразу после закрытия задвижки, поэтому, с точки зрения оценки прочности трубы, последующие колебания интереса не представляют.

Скорость распространения ударной волны

,

где r, K – плотность и объемный модуль упругости жидкости;

d, d – внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода;

E – модуль упругости материала трубы.

Различают полный и неполный гидроудар. Полный гидроудар предполагает полную остановку жидкости, а при неполном происходит ее торможение до скорости V1.

Гидроудар называют прямым, если фаза гидравлического удара t 0 = 2 l/c меньше времени закрытия трубопровода: t 0 < tзак. Если t 0 > tзак, то удар непрямой.

Величина повышения давления в трубопроводе при прямом полном гидравлическом ударе определяется формулой Жуковского:

D p = r V 0 c.

Если удар неполный, то D p = r(V 0 – V 1) с.

При непрямом гидравлическом ударе можно пользоваться приближенными формулами:

§ для полного удара ;

§ для неполного удара .

Как можно легко увидеть, наибольшую опасность представляет прямой полный гидроудар.

Меры борьбы с негативными последствиями гидравлического удара можно сформулировать следующим образом:

§ увеличение времени закрытия трубопровода, что приводит к непрямому гидроудару;

§ снижение скорости движения жидкости (при заданном расходе это означает применение трубы большего диаметра);

§ уменьшение длины участка трубопровода до перекрывающего устройства, что позволяет перейти к непрямому удару;

§ установка вблизи задвижки устройства, сбивающего пик давления (предохранительного клапана, гидравлического аккумулятора и т.п.).

Иногда идут другим путем – вместо снижения уровня ударных давлений просто повышают прочность трубопровода.

Кавитация - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения данного эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом энергию ударной волны. Необходимо подчеркнуть, что кавитация в основном образуется на кромке срыва при переходе ламинарного течения жидкости, или их смесей, в турбулентное течение.

Поиск по сайту: