Презентация к лекции по Механике жидкости и газа. Гидроудар

Слайд 1

Лекция 7 к.т.н. Сазонова Е.К. Механика жидкости и газа

Слайд 2

Гидравлическим ударом называется колебательный процесс, возникающий в трубопроводе при внезапном изменении скорости жидкости, например при остановке потока из-за быстрого перекрытия задвижки (крана).

Слайд 3

Описание процесса

Слайд 4

1 стадия Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью V 0 , произведено мгновенное закрытие крана А. Скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину ΔP уд , которое называется ударным. Область (сечение n - n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Слайд 5

1 стадия

Слайд 6

2 стадия Когда ударная волна достигнет резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления Δр уд распространится на всю трубу

Слайд 7

3 стадия Под действием повышенного давления ( p 0 + Δp уд ) частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это движение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение п—п перемещается по трубопроводу в обратном направлении — к крану—с той же скоростью с, оставляя за собой в жидкости давление

Слайд 8

4 стадия Жидкость и стенки трубы возвращаются к начальному состоянию, соответствующему давлению р 0 . Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость υ 0 но направленную в противоположную сторону.

Слайд 9

5 стадия С этой скоростью «жидкая колонна» стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна (давление в жидкости уменьшается на то же значение Δp уд ). Граница между двумя состояниями жидкости направляется от крана к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформации, но с противоположным знаком.

Слайд 10

6 стадия Состояние жидкости в трубе в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару

Слайд 11

7 стадия процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью υ 0. Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится

Слайд 12

Теоретическая часть Теоретическое и экспериментальное исследования гидравлического удара в трубах было впервые выполнено Н.Е.Жуковским. В его опытах было зарегистрировано до 12 полных циклов с постепенным уменьшением Δp уд

Слайд 13

Ударное давление В результате проведенных исследований Н.Е.Жуковский получил аналитические зависимости, позволяющие оценить ударное давление Δp уд . Одна из этих формул, получившая имя Н.Е.Жуковского, имеет вид Δp уд = ρυc, где c - скорость распространения ударной волны

Слайд 14

Скорость распространения ударной волны скорость распространения ударной волны определяется по формуле слева от текста, где K – объёмный модуль упругости жидкости; E –модуль упругости материала стенки трубопровода d – внутренний диаметр трубопровода δ – толщина стенки трубопровода

Слайд 15

Фаза гидравлического удара Фаза гидравлического удара t 0 — это время, за которое ударная волна движется от крана к резервуару и возвращается обратно. l – длина трубопровода

Слайд 16

Явление гидравлического удара объяснил в 1897-1899 г. Н.Е. Жуковский - показал, что увеличение давления при гидроударе определяется по формуле: Изменение давления при гидроударе При отсутствии потерь энергии а) Полный гидроудар б) Частичный гидроудар - формула Жуковского - скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, м/с; - время закрытия задвижки, с.

Слайд 17

В зависимости от времени распространения ударной волны t и времени перекрытия задвижки τ (или другой запорной арматуры) выделяются 2 вида ударов: Виды гидравлических ударов а) Полный (прямой) гидроудар - возникает, если время перекрытия задвижки меньше двойного времени пробега волны Т . Т - период трубопровода Теряется вся скорость потока - переходит в энергию давления и упругих деформаций стенок трубы. Возможно повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях. - заброс давления при полном гидроударе; - скорость звука в трубе.

Слайд 18

Скорость ударной волны (скорость звука) в трубе Здесь r - радиус трубопровода; E - модуль упругости материала трубы; δ - толщина стенки трубопровода; Если труба имеет абсолютно жесткие стенки , т.е. , то скорость ударной волны определится из выражения Для воды эта скорость равна 1435 м/с, для бензина 1116 м/с, для масла 1200 - 1400 м/с K - объемный модуль упругости жидкости

Слайд 19

б) Частичный (непрямой) гидроудар Если время закрытия задвижки больше фазы удара (периода трубопровода), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле: Ещё один вариант — наличие утечек из трубы во время гидроудара (неполное перекрытие трубы заслонкой или заглушкой, наличие в трубе дополнительных отверстий (созданных специально или аварийных) помимо входа. Суммарная площадь таких отверстий или незакрытого просвета должна быть меньше внутреннего сечения трубы , иначе гидроудара не будет в принципе.

Слайд 20

Способы снижения вредного влияния гидравлического удара увеличение времени срабатывания запорных устройств, перекрывающих поток жидкости. установка перед устройствами, перекрывающими поток жидкости, гидроаккумуляторов или предохранительных клапанов. Уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе за счет увеличения внутреннего диаметра труб при заданном расходе уменьшение длины трубопроводов https://youtu.be/lNciWPsL3zk https://youtu.be/a_tomLdeAxk