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水击

在有压管道系统中,由于某一管路元件工作状态的改变,使液体流速发生急剧变化,同时引起管内液体压强大幅度波动的现象。它是有压管道非恒定流动问题中的一种。管道中任一断面的流速、压强、液体的密度、及管道直径,不仅与空间位置而且与时间有关。水击又名水锤,它可能导致管道系统强烈振动、噪声和空蚀,甚至使管道严重变形或爆裂。

在有压管道系统中,由于某一管路元件工作状态的改变,使液体流速发生急剧变化,同时引起管内液体压强大幅度波动的现象。它是有压管道非恒定流动问题中的一种。管道中任一断面的流速、压强、液体的密度、及管道直径,不仅与空间位置而且与时间有关。水击又名水锤,它可能导致管道系统强烈振动、噪声和空蚀,甚至使管道严重变形或爆裂。管道系统中阀门的急剧关闭及开启、水泵突然停机,以及在水电站运行过程中由于电力系统负荷的改变而迅速启闭导水叶或闸阀等,都会产生水击。

较系统的研究水击问题是从19世纪后期开始的,茹可夫斯基(Н.Е.Жуковский)于1898年得出下列水击公式:

水击

它表明发生水击现象的物理原因,主要是由于水具有惯性和压缩性,当管道末端阀门突然关小时,根据动量定律分析,由于流速的突然降低(V0-V),必然导致压强的突然增高(⊿p),而液体与管道均是弹性体,通过弹性作用将这种扰动影响以弹性波的形式向上传播。一个压力波的水头增值⊿h,和流速增值⊿V以及水击压力波传播速度c成正比。

水击压力波的传播速度c与液体及管壁的弹性有关,可根据连续原理得到:

水击

其中c0为不受管壁影响的水击压力波传播速度,也就是声波在液体中的传播速度。通常,c0=1435米/秒,K是液体的体积弹性系数,E是管壁材料的弹性系数,D是管道内径;δ是管壁厚度。

水击压力波传播方向与管道原流速方向一致时为顺行波,相反时则为逆行波。水击压力波传播过程中会遇到各种边界,当压力波所造成的流动状况和边界条件不适应时,则产生压力波的反射,如把阀门启闭过程看成是一系列微小瞬时关闭的综合,则水击的发生过程将是一系列发生在不同时间的水击波传播和反射的综合过程。管道中任意断面在任意时刻的流动情况是一系列水击波在各自不同的发展阶段的叠加结果。定义t,为水击的相或相长,L为管道全长。当阀门关闭时间Tt时,称为直接水击,当Tt时,称为间接水击,在工程设计中总是力图合理地选择参数,以避免产生直接水击。

水击计算方法的根据是连续性微分方程:

水击

和运动微分方程:

水击

在不同的限制条件下,可采用不同的方法求解上式。常用的有解析法、图解法、特征线法等。解析法,则是在简化基本方程基础上推导出联锁方程求解,多用于不计阻力情况下的简单管道并假定阀门出流现象类似于孔口或管嘴出流。图解法能比较准确地反映出流规律,在20世纪30~60年代它是求解管道水击问题的主要方法,随着电子计算机技术的发展,上述两种方法已逐渐为特征线法所取代。特征线法得到的虽是近似解,但精度较高。