1. Понятие гидравлического удара

1.1 Общие сведения

Основы теории неустановившегося течения жидкости в напорных трубопроводах были заложены в работах Н.Е. Жуковского. Полученные им дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости легли в основу дальнейшего развития теории напорного и безнапорного течения вязкой жидкости. С помощью этой теории было получено объяснение ряда физических явлений, получивших название гидравлического удара.

Гидравлическим ударом  называют скачок давления в гидравлической системе, вызванный очень быстрым изменением скорости потока за малый отрезок времени. Гидравлический удар может быть как положительным (в случае резкого перекрытия перекачиваемого потока запорной арматурой), так и отрицательным (в случае резкого открытия запорной арматуры). Наиболее опасен положительный гидравлический удар, при котором несжимаемую жидкость необходимо рассматривать как сжимаемую.

При гидравлическом ударе в трубопроводе возникает колебательный затухающий процесс, который сопровождается резким изменением давления. Гидравлический удар возникает и тогда, когда в покоящейся жидкости, находящейся в трубопроводе, внезапно создается давление на одном конце трубы, которое распространяется по трубопроводу. Жидкость приходит в колебание также при внезапном изменении ее скорости.

Гидравлический удар в трубопроводах нарушает нормальную работу, может привести к разрушению труб, фланцевых или сварных соединений, задвижек, нарушению работы измерительных приборов.

Гидравлический удар наблюдается только в трубопроводах, перекачивающих жидкости (вода, нефть и нефтепродукты). При перекачке газов гидравлические удары не наблюдаются. Это объясняется тем, что плотность газа весьма мала, чтобы привести к заметному повышению давления [3].

Явление гидравлического удара Н.Е. Жуковский открыл в 1897 – 1899г. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:

(1.1)

_{где Dр – увеличение давления в Н/м2,}

_{ρ – плотность жидкости в кг/м3,}

_{υ0 и υ1 – средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с,}

_{с – скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.}

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны с находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала Е, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода. Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащим газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны с, ее длиной и временем распространения (L и T соответственно) выражается следующей формулой:

(1.2)

_{Рассмотрим возникновение гидравлического удара (рис. 1.1) в горизонтальном трубопроводе длиной L постоянного диаметра d, по которому движется жидкость с некоторой средней скоростью υ0 при гидродинамическом давлении Р0.}

_{Рис 1.1 – Схема действия гидравлического удара}

_{Если быстро закрыть задвижку, установленную на трубопроводе радиусом r, то вследствие перехода кинетической энергии в потенциальную вначале повысится давление в остановившемся слое жидкости длиной ΔL, примыкающем к задвижке.}

_{Давление в этом слое повысится на величину ΔРуд и произойдет сжатие жидкости и растяжение стенок трубы на величину Δr (рис. 1.2).}

_{Рис. 1.2 – Схема действия ударного давления}

_{Остановка жидкости и повышение давления в трубопроводе будут происходить постепенно от слоя к слою в сторону емкости. Область повышенного давления от задвижки до емкости будет перемещаться со скоростью распространения ударной волны с, и достигнет начала трубопровода через время T=L/с после закрытия задвижки.}

Скорость распространения ударной волны для разных жидкостей различна. Так, например, для воды эта скорость равна 1435 м/c, для бензина – 1116 м/с, для масла – (1200 – 1400) м/с. Направление ударной волны противоположно направлению движения жидкости перед ее остановкой.