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水击现象产生的原因

时间:2024-03-18 来源: 浏览:

水击现象产生的原因

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在有压管路流动中,由于 阀门突然开启或关闭 等原因,导致 流速发生急剧变化 ,引起 压强 的剧烈波动,并在整个管长范围内传播的现象,称为 水击 或 水锤 。

水击的后果
在水击发生时,必须考虑到液体的 可压缩性 ,同样,考虑 管壁的弹性 ,管道直径在水击过程中也可以扩张或收缩,不再是一常数值。
水击是工程中重大事故,会导致管道强烈的 震动 、 噪声 和 气穴 ,有时甚至引起管道 变形、爆裂或阀门的破坏 。水击的危害不可轻视,因此在工程设计中必须分析水击过程,寻找减小水击危害的方法。
1、 水击现象 发生后,引起压力升高的数值,可能达到正常压力的 几十倍甚至几百倍 ,而且 增压和减压交替频率很快 ,反复的冲击会使 金属表面 损坏打出许多麻点,轻者增大了流动阻力,重者损坏管道及设备,使其产生变形,严重时会造成管道的破裂。

2、 压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击发出强烈的 振动和噪音 ,尤如管道受到锤击一样故又称为水锤。

水击的传播过程
长度为L的管道,上游M点连接水池,下游N点装有闸门,水击前管道内的流动速度为v1。

1、压缩过程
阀门突然关闭,首先在N-N断面上液体停止了流动,同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了流动,压力也相应升高pn。这种压力升高以水击波的传播速度c由阀门N处一直向管道进口M传播。经时间t= L/c  传到管道进口,这时整个管道中压力都升高到p+Ph。液体受到压缩,密度增高,管壁膨胀,这是一个减速增压的压缩过程
2、压缩恢复过程

压缩过程结束后,管道中压力比容器中压力高了Ph。在压力差pn的作用下,管道中的液体将以速度v由管道流回容器内,如图(b)所示。与此同时,这层液体的压力由p+p,恢复到正常的压力p,管壁的膨胀也得到恢复,这种恢复以水击波的传播速度c向管道末端N-N传播。从阀门关闭时间算起,经过时间t=2L/c后,由M-M传播到N-N断面,使整个管道都恢复到正常数值。该过程是一个增速减压的压缩恢复过程

3、膨胀过程(惯性作用)
压缩恢复过程结束后,液体并不能停止流动,在惯性的作用下,液体还将以速度v继续向容器内流动,阀门N-N处液体首先减少,使其压力由p降低到p-Pn。因而液体密度减小,体积膨胀,管壁相应收缩,同时液体的流动速度也降为零。这一膨胀仍以水击波速度c向M-M断面传播,如图(c)所示。从阀门关闭时间算起,经过时间t=3L/c后,使管道中的液体都处于膨胀状态,压力比正常情况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀过程。
4、膨胀恢复过程
膨胀过程结束后,由于容器内的压力高于管道内的压力,在压差的作用下,液体以速度流向管内,最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况然后压力的恢复由M断面以水击波的传播速度c向N断面传播。从关闭阀门时算起,经过时间 t=4L/cc,完成了增速增压的膨胀恢复过程使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常值,完成了一个周期的水击变化过程由于流体的惯性作用,管中流体仍以速度v向下流动,但阀门关闭,流体被阻止,于是又重复刚才的过程。

水击现象无法完全避免,但可以采取以下措施减少水击危害
1、 延长阀门关闭的时间 ,可避免产生直接水击,还可以减小水击压强。
2、 减小管中流速 。采用较小的流速,有利于减小水击引起的动量变化量,从而削弱水击压强增量。
3、在管道中设置 安全阀、水击消除阀 等,系统压强增大时,安全阀打开,放走一部分高压水,从而保护管路系统。

4、在管道在中设置 调压塔 、空气室 等装置,这些装置可以减小水击压强及水击的影响范围。如在水电站的压力管上经常设有调压塔,如图所示。当阀门关闭时,水击的增压波使调压塔内的水位抬升,依次缓解调压塔上游压力管段的水击作用。此后调压塔中的水位上下震荡,直至完全衰减。

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